每周文献 2021-08-29

大家好，本周给大家分享的是一篇发表在PNAS关于可可树自然群体的适应性进化的文章。

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文章题目：Genomic structural variants constrain and facilitate adaptation in natural populations of Theobroma cacao, the chocolate tree (基因组结构变异限制和促进可可树自然种群的适应)

期刊：PROCEEDINGS OF THE NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF THE UNITED STATES OF AMERICA (PNAS)

影响因子： 2020_IF = 11.205; 中科大类: 综合性期刊 1区; 中科小类: 综合性期刊 1区; JCR分区: Q1

发文单位：美国明尼苏达大学、宾夕法尼亚州立大学等4家研究单位。

文章作者：美国明尼苏达大学的Tuomas Hämälä为第一作者，Tuomas Hämäläa 和Peter Tiffin为共同通讯作者。

背景：可可树（Theobroma cacao）是锦葵目梧桐科可可属乔木。原产于热带美洲，广泛栽培于全世界的热带地区，其果实经过发酵及烘焙可制成可可粉及巧克力，喜欢温暖湿润的的气候[1]。

摘要：基因组结构变异（SVs）在适应和物种形成方面起着重要作用。然而人们对SVs的整体适应性效应知之甚少，有一部分原因是因为SVs在群体水平的准确识别需要几个高质量的组装好的基因组。本文中，作者在31个可可树品种染色体的单倍型水平上来研究SVs对自然种群中的适应性效应。在31份材料中，作者发现超过160000个SVs，这些SVs覆盖的基因组大小比SNPs和INDELs多8倍。结果表明，这些SVs中的绝大多数是有害的，它们以低频率分离从基因组的功能区域中消失。同时作者发现SVs可以影响基因表达，从而影响基因功能。作者还为SVs的理论预测提供了经验支持，比如倒置，通过抑制重组导致有害核苷酸突变体的积累，从而增加遗传负荷。尽管SVs在总体上是有害的，但作者确定了具有当地适应特征的单个SV，其中一些SVs与种群之间差异表达的基因有关。参与病原体抗性的基因在这些候选SVs有显著富集，表明SVs对这种重要的局部适应性状有特别的贡献。除了揭示 SVs在进化中重要性外，这 31 个基因组从头组装为可可树的遗传和育种研究提供了宝贵的资源。

主要结果：
1. 可可树结构变异（SVs）分布情况
为了鉴定31个从野生可可豆品种（四个地区）中分离的SVs（图1A），作者对每个个体分别进行从头组装。总的来说，作者重新组装的基因组比之前发表的两个参考组（Matina 1-6 version 1.1 和 Criollo B97-61/B2 version 2.0）质量更好（图1B）。将所得的每个个体的组装好的序列与参考基因组Criollo 进行互相比对，鉴定出5种类型的SV，插入（INS），缺失（DEL），串联重复（DUP），倒置（INV）和易位（TRV）。作者鉴定出36303个长度超过50 bp的特异SVs（累计163423个SVs），每个品种有4610到5963个结果结构变异（图1C）。尽管大多数SV位于基因间隔区（图1D），但在Criollo基因组中注释的64%的基因具有SVs, 且与编码区或假定的调控元件(≤基因上游或下游5 Kb）有重叠。SVs几乎存在于基因组的所有部分，但某些区域的SV数量特别高（图1E），表明这些区域为SV热点区域。总之作者从31份可可树种质中鉴定到丰富的SVs，表明SVs对可可树的进化起着重要的作用。

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图1. 从62个组装的高质量基因组中鉴定SVs。(A)可可树群体的分布范围，(B) 两个公布的参考基因组（黑线）和该研究中31个组装基因组之间的序列连续性（基于5000个最长的contigs）；彩色线条）。对于文中组装的的基因组，累积序列长度比参考基因组增加得更快，表明有更高的连续性，(C)每个品种鉴定的的SVs数量；(D)SV与基因组不同分型重叠的数量；(E)在基因组不同区域特异SV的数量，以2 Mb的窗口计数。

2. SVs整体有害，影响基因表达模式
SV中易位类型很少，在接下来分析中将其排除。同时将INS和DEL类型合并为INDEL类型。次要等位基因频率谱（AFS）表明相比于同义或非同义SNP，SVs的分离更多集中在低频率水平（图2A），这表明SVs对适应性的影响比SNP更有害。SVs重叠的功能性和非功能性元件之间较大频率差异也支持SVs具有更强的适应性效应（图2B）。同时作者估计了纯化选择的强度，发现位于SVs内的基因和与SV断点重叠的基因都有更高的πN/πS和dN/dS，同时不同SVs类型之间的效应强度也不同：与INV断点重合的基因比INV内的基因具有更高的πN/πS和dN/dS，而INDELs和DUP则相反（图2C）。这些结果表明与SVs重叠的基因受到较弱的选择性限制，可能是因为大多数SV在生理和发育中没有起重要的作用。为了进一步研究SVs的潜在适应性效应，作者分析了SVs对基因表达模式的影响，发现普通SVs与基因表达的相关性比期望值更高（图2D；P=1×10−9），但是，普通SVs影响基因表达的可能性比SNP少3个数量级（图2D；P=4×10−6, LRT)。与普通变异相比，稀有SVs更可能是最近出现的，并对基因表达产生不利影响。与普通变异中观察到的模式相反，稀有SVs被发现其影响基因表达的可能性与稀有SNP 相差4个数量级（图2D；P<2×10−16）。结果表明普通SVs可能是中性或有益的，对基因表达只有细微的影响。然而，稀有SVs对基因表达有更强的影响，这可能会损害基因功能并导致SVs的有害影响。

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图2. SV的适应性效应。(A)与同义（sSNP）和非同义（nSNP）相比，每种SV类型的AFS；(B) SV与不同的基因组区域重合的AFS；(C)对受SV影响的基因的选择性限制的测定。SV内的基因和与SV断点重叠的基因的非同义核苷酸多样性与同义核苷酸多样性的比率（πN/πS）和非同义核苷酸与同义核苷酸差异的比率（dN/dS）；(D)一个基因5 Kb以内的变异与其表达相关的可能性。普通变异：MAF > 0.05，稀有变异：MAF≤ 0.05。

3. 在倒置中遗传负荷增加
除了直接损害基因功能外，SVs的有害影响还可能通过有害核苷酸变异的积累间接产生。这种担心主要集中在INVs，因为他们经常会导致重组单倍型的完全丢失。与抑制重组的效果一致，作者发现INV排列之间的核苷酸差异增加（图3A；P<2×10−16），以及这种排列中的遗传连锁增加（图3B；P<2×10−16）。同时INVs在功能位点的衍生等位基因比例高于共线区（图3C；P<2×10−16，LRT），表明遗传负荷增加，而且在中性位点发现衍生等位基因有类似增加（图3C；P<2×10−16），反映了与共线区域相比，INV背景选择较弱。另外，次要INV也比主要INV具有更高的衍生等位基因频率（图3C；P<2×10−16），表明这些区域的Ne由于重组抑制而减少。SIFT4G预测的突变效应进一步支持了遗传负荷的增加，与共线区域相比，SIFT4G识别出INV处有害SNP的增加（图3D；P<2×10−16）。总之，作者发现在倒置这种结构变异类型中，由于重组抑制导致遗传负荷增加了。

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图3. 倒置时的遗传负荷。(A) 与大小相等的随机共线区域（CTRL）相比，主要纯合子和次要纯合子（INV）之间的绝对核苷酸分化（dXY）；(B) 连锁不平衡的平均衰减是共线区域以及主要和次要INV纯合子中物理距离的函数；(C) 共线区域以及主要和次要INV纯合子中衍生核苷酸等位基因的百分比。(D) 预测为有害的非同义SNP的百分比。

4. SVs有助于可可树当地的适应
SVs整体来说有害，限制了作物的适应，但有些SVs可能有助于作物对当地的适应。作者发现SVs显示出与SNPs相似但不太明显的群体结构分布（图4A）。为了确定SVs可能有助于作物当地适应，作者将SVs的FST与模拟的中性变异进行比较（图4B）。在这些SVs中，有五个INVs被确定为异常值。这些INVs可能有助于密切相关的群体，Iquitos和Nanay（三个INVs）以及Marañon和Guiana（两个INV）之间的适应性分化，这表明INVs可以抑制重组，可能保护局部有益等位基因免受基因流的影响（图4C）。同时作者对864个候选SVs内及附近基因进行GO富集，其中140个基因的SVs基因型, 对不同材料之间表达变异的解释比例高于预期（图4D）。为了进一步研究SVs在可可树对当地适应中的作用，作者利用从126份可可树材料中公开获得的全基因组数据（图4E），有3311个SVs被筛选出来（MAF>0.05），最终作者确定了45个有助于当地适应的候选SVs（图4F）。对这些SVs区域的基因富集，发现富集于对细菌的防御反应通路。表明这些SVs通过与病原体抗性有关的性状帮助可可树适应当地环境。

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图4、SVs和当地的适应。（A）SVs的主成分分析;（B）与模拟中性样本（SIM）相比，三种SV类型的Fst分布；(C) 由330 Kb INV（阴影区域）引起的非重组单倍型模块。是Iquitos和Nanay群体之间基于SNP的Fst；(D) 选择异常SV影响的基因的表达水平。SV（R2）解释的具有最大比例表达变异的五个基因。（E）基于SVs的126个重测序的可可树种质之间的关系。(F)基于祖先基因组扫描的P值，包括126个种质中3011个SVs。

总之，作者认为大多数SVs是有害的，可能是由于对编码序列或基因表达有直接影响，部分也可能是由于有害核苷酸变异的积累导致的。同时作者描述了SVs如何限制和促进自然群体对当地环境的适应。通过本研究，作者也表达了人类如何有效利用有益的SVs。

文中所有图片均来自Genomic structural variants constrain and facilitate adaptation in natural populations of Theobroma cacao, the chocolate tree

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文章链接地址：https://www.pnas.org/content/118/35/e2102914118

参考文献：

1. 百度百科
2. Hämälä T, Wafula E K, Guiltinan M J, et al. Genomic structural variants constrain and facilitate adaptation in natural populations of Theobroma cacao, the chocolate tree[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021, 118(35).