CNV在植物研究中的案例分析3

发稿时间：2016-04-22来源：天昊生物

英文题目：Multiply to conquer: Copy number variations at Ppd-B1 and Vrn-A1 facilitate global adaptation in wheat
期刊名：BMC Genetics
发表日期: 2015年12月
研究背景：
           过去几十年QTL定位研究表明作物的重要农艺性状变化很大程度上受DNA多态性控制。由于现有的基因分型技术，这些研究几乎都是基于SNP与小的插入缺失。然而目前DNA拷贝数变异（CNV）能影响人的表型并且与疾病相关。然而在农作物中，关于某个特定座位不同拷贝数的频率，它们的地理分布以及它们对表型变异的作用仍然是不清楚的。CNV是指与参考基因组比较，1 kb-1Mb的DNA片段的缺失、插入、重复等。大部分的CNV发生在基因间区，但是也发生在基因编码区，这些调控元件或功能区的CNV反过来会改变这些基因的表达水平。大麦的研究表明，硼转运蛋白的拷贝数增加能够增强对硼毒性的耐受性。在大豆中，包含rhg1位点基因组片段的CNV与大豆胞囊线虫病的抗性有关。然而相对于人类，关于CNV对作物农艺性状影响的研究才刚刚开始。
       CNV对作物重要性状影响的一个重要例子就是小麦开花时间。开花时间的变化是由光周期相关基因Ppd-1和春化相关基因Vrn-1决定的，它们都在春化过程（一，二年生的植物，经过低温处理后，才能从营养生长阶段过渡到生殖生长阶段的现象）中被上调表达。Ppd-1在小麦B，D基因组上的同源基因分别是Ppd-B1和Ppd-D1，它们是小麦最重要的光合调节因子。Ppd-B1被证明存在不同的拷贝数，从而能改变光周期敏感性：当Ppd-B1有1个拷贝时小麦是晚开花；当有2-4拷贝时小麦能早开花，然而这个研究是基于来自温室的表型数据，并且品种数量比较受限。后来有两个研究又在田间的更多品种中调查了Ppd-B1的CNV，结果都发现在澳大利亚小麦和欧洲小麦中存在不同的CNV并且报道了Ppd-B1的CNV对开花早晚的影响。研究发现春化相关基因Vrn-1拷贝数增加能延迟开花。然而目前关于这两个基因不同拷贝数的频率和不同拷贝数对不同起源小麦的影响仍然是未知的。因此本文想解决的问题是：（1）调查全球1110个冬小麦品种Ppd-B1 ，Vrn-A1不同拷贝数形式的地理分布，频率和系统发育起源；（2）评估Ppd-B1 ，Vrn-A1的不同拷贝数形式对开花时间的影响。
研究材料：世界范围内的1110个冬小麦品种；
技术平台：

•        简化基因组测序（GBS）获得全基因组标记数据；
•        荧光定量PCR检测CNV；

研究思路：

•        全球1110个冬小麦品种中检测Ppd-B1 和Vrn-A1的拷贝数；
•        使用1110个冬小麦品种的全基因组标记数据和Ppd-B1，Vrn-A1的CNV数据分析其系统发育；
•        1110个冬小麦品种中评估Ppd-B1，Vrn-A1不同拷贝数形式在不同地理区域的频率；
•        1110个冬小麦品种中分析Ppd-B1和Vrn-A1不同拷贝数形式在不同时间的分布；
•        评估Ppd-B1 ，Vrn-A1的不同拷贝数形式对开花时间的影响；

研究结果：
Ppd-B1 和Vrn-A1的拷贝数检测
       这项研究基于世界范围内的1110个冬小麦品种，但是主要关注欧洲品种（Table 1）。 Ppd-B1的拷贝数有3种：1个, 2个和3个拷贝（Table 1）。波兰注册的品种‘Naridana’的Ppd-B1发现根本没有任何拷贝，大部分品种的Ppd-B1只有1个拷贝（90.6 %）；只有一少部分品种有2个（5.1 %）或3个拷贝（4.1 %）。        平均抽穗时间 ± 标准差；能解释基因型差异的比例 （pG in %） ；等位基因替换对基因型的作用效果（α） ；CNV对基因型的作用效果（CNV）。AT：奥地利； BE：比利时；CN：中国； CSK：前捷克斯洛伐克；DE ：德国； DK：丹麦；EU：欧洲； FR：法国；GB：英国； IT：意大利； NL：荷兰；PL：波兰； SE：瑞典；US：美国； YUG：前南斯拉夫
       分析发现Vrn-A1的拷贝数有4种：1个, 2个，3，4个拷贝（有3个品种的Vrn-A1拷贝数是4个，这3个品种分别是‘Valentina’，‘Lai Yang Qiu’和‘Chozo Mestnaja’）（Fig. 1a） 。对于Vrn-A1，7.0 %的小麦品种有1个拷贝；48.3 %的小麦品种有2个拷贝；44.4 %的小麦品种有3个拷贝；0.3%的小麦品种有4个拷贝。 Ppd-B1，Vrn-A1不同拷贝数形式的系统发育分析
       为了评估Ppd-B1，Vrn-A1的CNV与它们可能的地理起源的关系，利用简化基因组测序（GBS）得到的全基因组标记数据来评估1110个小麦品种的遗传关系并且把得到的进化树和所有个体的Ppd-B1，Vrn-A1的CNV结合起来（Fig. 1b）。结果发现Ppd-B1的3拷贝数形式主要集中在中国小麦品种中；而2拷贝形式存在于相对亲缘关系较近的群中，但是在系统树的其它群中也存在。同样，Vrn-A1的相同拷贝数形式主要存在于相对亲缘关系较近的群中。
评估Ppd-B1，Vrn-A1不同拷贝数形式在不同地理区域的频率
       接着对这些已知地理起源品种中Ppd-B1，Vrn-A1不同拷贝数形式的频率进行了评估，结果发现Ppd-B1，Vrn-A1在不同地理区域有不同的频率（Fig. 2）。在欧洲Ppd-B1主要是以1拷贝形式存在，只有欧洲北部和中部国家的极少数品种携带多拷贝数，例如法国（FR）有些品种有2个拷贝；意大利（IT）和巴尔干地区前南斯拉夫（YUG）品种则具有2个或3个拷贝。美国（US）品种的Ppd-B1拷贝数频率与南欧地区类似，主要以1个拷贝形式存在；而超过半数的中国（CN）和澳大利亚品种（AU）的Ppd-B1拷贝数大于1，中国品种主要以3个拷贝形式存在。
类似的频率也在发生在Vrn-A1上（Fig. 2）。在欧洲，多拷贝数形式的分布反映了小麦起源国家的气候条件。北欧国家瑞典和丹麦以及有更多大陆性气候国家（如德国DE、波兰PL、奥地利AT、前捷克斯洛伐克CSK）小麦品种的Vrn-A1主要以3拷贝形式存在；荷兰（NL）、比利时（BE）、英国（GB）、法国（FR）品种的Vrn-A1主要以2拷贝形式存在；1拷贝形式主要存在于南欧品种；中国（CN）和美国（US）品种的Vrn-A1主要以3拷贝形式存在，也有一定数量的中国品种以1拷贝形式存在。 分析Ppd-B1和Vrn-A1不同拷贝数形式在不同时间的分布
       接着分析了不同拷贝数形式在不同时期的频率（以品种的注册时期为参考）。结果发现本次研究中的最老品种（1960年）存在所有拷贝数形式，这些拷贝数形式随着时间变化不大（Fig. 3）。 评估Ppd-B1 ，Vrn-A1的不同拷贝数形式对开花时间的影响
       为了评估Ppd-B1，Vrn-A1不同拷贝数形式对田间条件下小麦抽穗期（抽穗期标志着由营养生长转向生殖生长，如开花）的影响，使用多点田间试验对1110种小麦品种进行了分析，结果发现Ppd-B1拷贝数越多小麦越提前抽穗开花 （Table 1）。在评估Ppd-B1拷贝数变异作用效果时也对Ppd-D1进行了分型用来解释这个光周期主要调控因子的作用。在这1110个小麦品种中，Ppd-D1CNV能解释基因型差异（pG ）的48.2 %，而Ppd-B1的CNV能解释基因型差异（pG ）的8.3 %。在欧洲（EU）品种中，Ppd-D1的CNV能解释基因型差异的38.7 %，而Ppd-B1的CNV仅能解释基因型差异的2.6 %。这个差异可以通过Ppd-D1和Ppd-B1在不同欧洲国家的显著变化来解释：Ppd-D1解释法国（FR）和意大利（IT）品种中基因型差异的比例最高，而Ppd-B1解释荷兰（NL）和比利时（BE）品种中基因型差异的比例最高。Vrn-A1不同拷贝数形式对小麦抽穗期影响的分析结果表明美国，荷兰品种Vrn-A1的CNV能分别解释基因型差异的22.6 %和9.0 %，美国品种Vrn-A1的拷贝数增加能延迟抽穗开花，而荷兰品种Vrn-A1的拷贝数增加能促进抽穗开花。