JSE | 菊花品種的起源——來自葉綠體基因組和細胞核LFY基因的證據(jù)

原文鏈接：https://doi.org/10.1111/jse.12682

作為一名初涉此領(lǐng)域的學習者，筆者懷著謙卑之心拜讀了這篇論文，閱讀之后深感受益匪淺，特此整理個人心得與總結(jié)如下。鑒于筆者尚處于學習探索階段，文中若有理解不當或遺漏之處，懇請各位不吝賜教，您的寶貴意見與指正將是我進步的階梯。

1. 研究對象：29種菊花葉綠體基因組，以及菊花15個種和11個常見栽培品種共32個樣品的LFY基因序列。

2. 技術(shù)路線：

（1）物種采樣與外群選擇

采樣范圍：研究采集了29個菊屬物種和栽培種的樣本，包括中國分布的15個野生菊屬物種和12個栽培種。這些樣本覆蓋了菊屬植物的廣泛地理分布和多樣性。

外群選擇：選擇了與菊屬親緣關(guān)系較近的Ajania variifolia作為外群，用于系統(tǒng)發(fā)育分析中的比較。

（2）DNA提取與基因組測序

DNA提取：從每個樣本的葉片中提取全基因組DNA，采用的是CTAB方法的修訂版本。為了保證DNA質(zhì)量，樣本的葉片被用硅膠干燥后處理。

基因組測序：使用Illumina HiSeq2500和MiSeq測序平臺對樣本進行高通量測序，分別生成150bp和300bp的配對末端讀取序列。測序數(shù)據(jù)的總大小在5.9億到3.1億對序列之間，覆蓋的葉綠體基因組長度在150,816到151,207 bp之間。

（3） 葉綠體基因組組裝、注釋與比較

數(shù)據(jù)處理與組裝：在組裝之前，使用Trimmomatic軟件過濾低質(zhì)量的測序數(shù)據(jù)和適配器序列，之后通過Velvet和Geneious軟件進行de novo和參考基因組引導的組裝。最終得到每個樣本的完整葉綠體基因組序列。

基因組注釋：使用DOGMA和tRNA scan-SE等工具對葉綠體基因組進行注釋，并手動校正蛋白編碼基因的起始和終止密碼子以及內(nèi)含子/外顯子邊界。

基因組比較：通過MAFFT對所有菊屬樣本進行基因組比對，并使用Mauve進行共線性分析。對比分析揭示了物種間的葉綠體基因組結(jié)構(gòu)和基因順序的高度保守性。

（4）簡單重復序列（SSR）分析與高變區(qū)檢測

SSR檢測：在葉綠體基因組中，使用Gramene數(shù)據(jù)庫的Simple Sequence Repeat Identification Tool檢測SSR（簡單重復序列）區(qū)域，包括二核苷酸、三核苷酸和更復雜的重復單元。

高變區(qū)檢測：利用DnaSP軟件對菊屬物種的葉綠體基因組進行滑動窗口分析，識別出高變異的區(qū)域，特別是Pi值大于0.005的區(qū)段，這些區(qū)段通常集中在一些非編碼區(qū)域和ycf1等基因。

（5） LFY基因的克隆與序列分析

LFY基因的克隆：從14個野生菊屬物種、5個栽培種以及4個其他菊科植物中克隆LFY基因，得到完整的基因序列。結(jié)合先前的研究數(shù)據(jù)，對35個樣本進行了LFY基因的序列分析。

序列特征分析：分析了LFY基因的外顯子和內(nèi)含子的長度和堿基組成，并識別出基因中存在的可變位點。LFY基因在菊屬物種中的序列長度變異較大，尤其是在內(nèi)含子區(qū)域。

（6） 系統(tǒng)發(fā)育分析

葉綠體基因組系統(tǒng)發(fā)育分析：使用RAxML和MrBayes軟件基于葉綠體基因組的全序列進行最大似然（ML）和貝葉斯推斷（BI）系統(tǒng)發(fā)育分析。為樹構(gòu)建選擇了GTR+G模型，并通過1000次自舉重復驗證樹的穩(wěn)定性。BI分析通過獨立的Markov Chain Monte Carlo計算生成了一個50%多數(shù)規(guī)則的共識樹。

LFY基因的系統(tǒng)發(fā)育分析：利用PartitionFinder2軟件對LFY基因數(shù)據(jù)集進行分區(qū)，并進行BI分析。使用FigTree軟件對系統(tǒng)發(fā)育樹進行可視化，揭示了菊屬物種之間的親緣關(guān)系。

（7） 結(jié)果解釋與討論

系統(tǒng)發(fā)育結(jié)果：在葉綠體基因組分析中，所有栽培菊花樣本形成了一個獨立的分支，顯示它們與野生菊屬物種有明顯的區(qū)分。LFY基因的分析顯示栽培菊花樣本與不同的野生物種分組在一起，支持了多個父本物種的貢獻假設(shè)。

3. 結(jié)論：

（1）菊花的復雜起源：

栽培菊花的起源并非由單一或少數(shù)幾個野生物種所貢獻，而是通過多個野生物種的多次雜交形成的。

在研究中，多個野生菊屬物種（如C. indicum、C. zawadskii、C. dichrum、C. nankingense、C. argyrophyllum和C. vestitum）被推測為大多數(shù)栽培菊花的父本。

（2） 母本的推測：

葉綠體基因組分析顯示，所有栽培菊花樣本聚集成一個獨立的分支，與其他野生物種明顯區(qū)分開來。

研究推測，這些栽培菊花的母本可能來源于一條已滅絕的野生菊屬物種譜系及其后代，這些母本在菊屬栽培種的進化中起到了關(guān)鍵作用。

（3） 雜交和基因流動的高頻率：

菊屬植物表現(xiàn)出高度的雜交和基因流動，這些現(xiàn)象在先前的研究中已被觀察到。

該研究進一步支持了菊屬植物的雜交頻率和基因流動性，揭示了栽培菊花復雜的遺傳背景和多樣化的起源。

（4）菊屬植物系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系的揭示：

研究通過葉綠體基因組和核LFY基因的分析，重建了菊屬植物的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，確認了不同物種之間的進化聯(lián)系。

特別是，研究發(fā)現(xiàn)了兩個隱蔽的物種（C. vestitum在安徽和河南省的天柱山和伏牛山），這為菊屬植物的分類學研究和物種保護提供了新的見解。

（5）對菊屬栽培種的影響：

研究提供的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系和起源信息，為菊屬栽培種的種質(zhì)資源保護、物種鑒定、分類學研究、以及未來的品種改良和育種工作奠定了基礎(chǔ)。

（6）新的研究框架與資源：

這是首次利用葉綠體基因組推斷菊屬栽培種的馴化歷史，研究結(jié)果為菊屬植物的種質(zhì)資源管理、物種鑒定、分類學研究、保護生物學和植物育種等提供了新的遺傳資源和研究框架。