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产品简介 Product Introduction

选择清除分析是常用于鉴定群体基因组水平受选择区域的一种方法，其背后的理论是：在受选择群体中，会出现有利等位基因的频率快速上升，与其相邻位点的多态性快速下降的现象。基于此，我们可以通过计算群体内基因组区域的等位基因频率的变化情况来鉴定受选择基因组区域。常用群体内检测指标的计算方法（都属于硬选择的范畴）。其中基于核苷酸多态性降低的π及其衍生的π ratio、ROD以及Fst是常用的选择清除鉴定方法。

分析流程 Analysis Process

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测序策略 Sequencing Strategy

技术选择	平台	测序深度/数量量	备注
重测序	Illumina/BGI	10-20X	每个群体选择30个个体以上为佳，至少15个左右

分析内容 Analysis Content

1. 测序数据质控

2. 与参考基因组比对

3. SNP检测与注释

4. InDel检测与注释

5. 基于SNP的群体结构分析（样本数目>10个）

1) 群体进化树构建（NJ树）

2) 群体结构分析（Admixture）

3) 群体主成分分析（PCA）

4) LD衰减分析

6. 选择压力分析

1) 核苷酸多样性分析

2) 中性检验分析

3) 群体间多样性分析

7. 定位受选择基因

8. 受选择基因功能富集

选择性清除和全基因组关联分析为揭示华北落叶松叶片的适应性变异提供了见解

文章题目：Selective sweep and GWAS provide insights into adaptive variation of Populus cathayana leaves

发表时间：2024年4月

发表期刊：Forestry Research

组学技术：群体重测序

研究结果：

本研究基于416份青杨天然居群样本结合9项关键的叶型性状指标，并依据其特征进行了初步的四类划分。在此基础上，采用了选择性清除分析以及全基因组关联分析（GWAS）方法，深入剖析并揭示这些叶片性状变异的遗传学基础。

1 . 叶片性状的相关性与变异分析

研究人员首先分析了叶片性状的分布以及性状之间的相关性，在青杨种群内部，大多数叶片性状均表现出显著的差异性（p<0.01）。类似的结果也在不同源区之间被观察到，具体表现为五个叶片形态性状之间存在显著的正相关关系，并且这些形态性状与两个综合性状（即LI和LMF）以及SPAD值之间呈现出显著的负相关。

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图1 叶片性状之间的关系

此外，叶片性状的广义遗传力介于0.3791至0.7375之间，其中LMF的广义遗传力最高，而SPAD变异系数的广义遗传力最低。

图片.png 表1 叶片性状的统计分析结果

1. 青杨种群叶片表型数据的主成分分析和聚类分析

为了深入探究青杨种群内部性状间的相互关系，研究人员对其叶片表型数据进行了主成分分析（PCA）及聚类分析。主成分分析（PCA）结果显示，第一主成分（PC1）能够解释超过54%的总变异，而PC1与第二主成分（PC2）联合则能解释高达80%的总变异。在PC1轴上，五个形态性状展现出负权重，相比之下，SPAD值则呈现出正权重。具体到PC2轴，相对叶长（RPL）和叶质量分数（LMF）具有正权重，而叶指数（LI）则表现出负权重。此外，聚类分析进一步将青杨叶片划分为四个类别：长柄大叶型（LSLL）、长柄中叶型（LSML）、短柄中叶型（SSML）以及短柄小叶型（SSSL）。

图片.png 图2 基于叶片表型数据的主成分分析（PCA）和层次聚类分析

2. 选择性清除鉴定调控叶片形态的候选基因

之前的研究依据地理分布将青杨种群划分为四个类群：NW（中国西北部）、SW（中国西南部）、TH（太行山）和NC（华北）。研究结果显示，长柄大叶型（LSLL）基因型主要集中分布在NW组，而短柄小叶型（SSSL）基因型则主要集中分布在TH组。为筛选出与叶片大小相关的基因，研究人员从TH组和NW组中分别精心选取了10个LSLL基因型和10个SSSL基因型进行选择性清除分析。通过Fst、π和XP-CLR等方法的综合应用，共鉴定出278个重叠区域。此外，研究还成功鉴定了493个选择性清除候选基因，这些候选基因在与叶片发育密切相关的GO（基因本体）类别中显著富集，具体涵盖了细胞生长、细胞死亡、生长素生物合成与代谢过程、蛋白激酶活性以及光合膜的某些特定方面。总体而言，富集分析的初步结果强烈提示，这些候选基因在叶片发育过程中扮演着至关重要的角色。

图片.png 图3 选择性清除分析可视化线图和频率直方图

图片.png 图4 选择性清除候选基因的功能富集分析

3. GWAS鉴定控制叶片形态的候选基因

在单性状GWAS中，研究人员于9个叶片性状里共发现6个显著SNP，它们位于13个基因内或其附近，能解释1.08%至3.34%的变异。对于多性状GWAS，确定了33个与至少一组五组性状相关的显著SNP，这些SNP关联到59个基因。综合两种方法，共识别出67个与叶片性状相关的候选基因，其中5个在两种方法中均有出现。此外，采用更宽松的p_value值，在9个单性状GWAS中关联到41个暗示性SNP，解释变异系数为0.01%至3.18%，并确定52个暗示性候选基因，其中8个与多性状GWAS中的候选基因重叠，被视为影响青杨叶片形态的关键候选基因。GWAS候选基因的富集分析初步显示，它们在调节叶片性状方面直接或间接发挥作用。

图片.png 表2 单性状GWAS中显著SNP的统计信息

4. 调控叶片变异的关键基因座的鉴定

在多性状遗传配合体中，第7染色体上的SNP 7__12437614与LA性状紧密相关，位于含CBS结构域的Pca07G009100基因内，参与光刺激反应；18号染色体上的SNP 18__14798104与LMF性状紧密相关，位于编码酪氨酸和丝氨酸/苏氨酸激酶蛋白的Pca18G011700基因内，参与防御反应和对外部刺激的反应。邻近基因编码细胞色素P450，可能参与叶绿素合成。Fst和π分析显示，SHSL和LHLL类别在这两个SNPs附近差异显著，表明这些基因座可能在遗传分化和适应性表型变异中起关键作用。不同单倍型间的表型差异也支持这些SNP参与性状变异，表明候选基因可能通过影响光合作用能力调节叶片发育。

图片.png 图5 GEMMA多性状GWAS曼哈顿图和显著位点分析

5. 候选基因网络分析

使用Cytoscape v3.7.1构建候选基因网络，发现不同叶片性状间重叠候选基因数与性状相关性密切相关，SPAD与其他性状无重叠基因。18个GWAS候选基因关联至少两个叶片性状变异。基因Pca09G008080（CLPR1）和Pca10G001830高度连通。选择性清除和GWAS共鉴定9个重叠基因，与叶片发育和大小相关，关键候选基因为CBSCBSPB3。

图片.png 图6 候选基因网络可视化

总结：本研究首次对青杨叶片性状进行了全基因组研究，将其叶片类型分为四类，并初步探讨了叶片变异的遗传基础。通过选择性清除、遗传多样性分析及GWAS，检测到了与光合作用、叶绿体发育相关的关键基因，特别是CBSCBSPB3在叶片表型变异中起重要作用。这些发现加深了对树叶性状适应性变异的理解，为林木适应性改良提供了遗传资源。

参考文献