文献阅读 | The haplotype-based analysis of Aegilops tauschii introgression into hard red winter wheat and its impact on productivity traits

https://doi.org/10.1101/2021.05.29.446303

这篇发表在bioRxiv上的文章是2020年发表于G3上的一篇文章（[10.1534/g3.120.401479](https: //doi.org/10.1534/g3.120.401479)）的后续。

野生近缘种的基因渗入是育种新等位基因多样性的宝贵来源。随着许多野生近缘种的高质量基因组组装问世，结合廉价的NGS技术，允许对大量样本进行全基因组快速基因分型，进而激发了人们对将野生近缘种的多样性基因渗入作为作物改良的策略的极大兴趣。

异源六倍体面包小麦 Triticum aestivum 是由四倍体 Triticum turgidum 与 Aegilops tauschii 杂交形成的，这两个野生近缘种是普通小麦基因渗入的等位基因多样性的主要来源。野生二倍体和四倍体小麦的近缘种如 T. monococcum（A^m genome）、 T. urartu（A^u genome）和 T. timopheevii（2n = 4x = 28, AAGG）以及 Ae. speltoides (2n = 2x = 14, SS) 被认为是基因渗入的遗传多样性的次要来源。

栽培种中野生近缘种的基因渗入的保留可能受到与农艺性状相关的适应性或性状选择的影响。证据表明，围绕控制主要驯化性状的基因，从野生近缘种向小麦和玉米品种的历史基因渗入更少。渗入等位基因与受体系遗传背景之间的相互作用可能导致杂交不育，或影响一般物候学或农艺性能，导致渗入基因组片段的丢失或保留。对渗入变异的选择也被认为会影响连锁的变异，受影响区域的大小取决于基因组中重组率的分布。因此，从实践的角度来看，了解野生近缘种基因渗入到栽培作物的基因组的模式对于有效建立新的多样性以进行作物改良至关重要。

2020年，作者开发了一个携带来自不同 Ae. tauschii 样本渗入的冬小麦系，通过IBD推断了渗入边界。基于378个样本（含21个粗山羊草，6个六倍体小麦品系和 351 个基因渗入品系）的complexity-reduced sequencing（后文显示该方法即为GBS）数据集，作者采用Beagle v.5.0利用含116份 Ae. tauschii 的参考群体对ungenotyped D-genome SNPs进行了基因分型，以提升IBD检测效果。

PCA分析表明，137份Ae. tauschii材料（116份reference panel plus 21 parental accessions）在前两个PC（解释了79.2%的差异）中被聚成了三组，其中一个包含了已知属于 * Ae. tauschii* ssp. strangulata 或 lineage 2 (L2) 的样本，剩下的两个中包含了属于 Ae. tauschii ssp. tauschii 或 lineage 1 中的材料。渗入系聚集在六倍体亲本附近，表明 BC₁F_3:5 中基因组的比例更大品系来自六倍体小麦，这种趋势可能与由于与六倍体亲本回交和种群发展过程中的选择而导致基因渗入片段的丢失有关。

Ae. tauschii accessions (AT), hexaploid wheat (HW) lines and introgression lines (IL)

π的分布与之前一致，跨种群多样性比较显示小麦 D 基因组中所有染色体的平均 SNP 多样性较低。与 Ae. tauschii 相比，六倍体小麦亲本的多样性最低，染色体平均值范围为 0.003 至 0.012 。方差分析显示Ae. tauschii、六倍体小麦、渗入系之间的 π 值存在显着差异。Ae. tauschii 基因渗入显着增加了轮回六倍体小麦亲本的 SNP 多样性。

影响基因组基因渗入频率的因素之一是结构重排（structural re-arrangements）。沿染色体的基因顺序比较分析表明，来自 T. aestivum 的99% 以上的基因与 Ae. tauschii ssp. strangulata 的基因完全共线，表明缺乏大型的结构重排。结构重排不太可能对Ae. tauschii基因渗入模式产生重大影响。

作者利用Beagle v.4.1检测了基因渗入系、六倍体小麦和Ae间的IBD片段。沿着染色体，IBD 片段的密度图显示出 U 形分布。IBD 片段的频率与重组率的分布呈正相关并从染色体的着丝粒向端粒区域增加，除了一些种系的染色体 1DL 和 5DL。

作者研究了基因渗入群体与Ae共享的Tg基因座周围的 IBD 模式。我们估计在基因渗入系发展过程中对机械种子脱粒的选择应该导致 Ae 的显性Tg等位基因的缺乏。Ae. tauschii，以及由六倍体小麦亲本贡献的隐性tg等位基因的频率增加。为了验证这一假设，作者使用基于expressed sequence tags (EST) CA658378 和 BE518031 的两个标记确定了2D 染色体上Tg-D1基因座的边界。1-kbp 滑动窗口内的 IBD 片段计数显示基因渗入系和Ae之间的 IBD 急剧下降。这种趋势伴随着基因渗入系和六倍体小麦亲本之间共享的 IBD 片段比例的增加，表明种群发展过程中自由脱粒性状的选择压力。

为了验证基因渗入对自由脱粒的影响，作者对坚韧颖片性状的基因渗入系的子集进行了表型分析，并将结果与​​ IBD 图进行了比较。正如预期的那样，渗入片段与Tg区域没有或很少重叠的种系显示对于顽强的颖片性状是负面的。

2021年，bioRxiv上的文章利用这一群体开展了进一步研究，评估了来自21个 Aegilops tauschii 材料的渗入对六个硬红冬小麦品种产量与产量组成性状的影响。

作者采用R包HaploBlocker从 520 万个 SNP 位点推断单倍型块。

根据最小二乘均值，在 2019 年和 2020 年观察到对照品系和渗入品系之间的产量存在显着差异，但在 2018 年则没有。在 2018 年的非灌溉试验 (CO18) 中，3.2% 和 48% 的基因渗入系分别比亲本系和对照产生了更多的谷物，这表明对照品种比亲本对干旱胁迫更敏感。

产量组成性状中，在 TGW、GA、GW 和 GL 等谷物形态特征之间观察到更高的正相关，范围从 0.13（GW 和 GL 之间）到 0.96（TGW 和 GA 之间）。

通过基于 BLUP 鉴定了与GW on 1DL, 2DS, 6DL and 7DS在至少两个独立性状显著相关的SNP。单倍型块窗口 65,964,778 – 66,124,103 bp 和 66,265,325 – 66,266,089 bp 在 2DS 上显示出最显着的关联。

使用通过亲本系全基因组测序鉴定的 SNP，作者表征了Ppd-D1基因座的单倍型多样性。所有六倍体小麦品系都携带相同的Ppd-D1单倍型（Hap1），而在Ae中鉴定了7 个Ppd-D1基因（Hap2 -Hap8）的单倍型。