PNAS | 农科院基因组所周永锋团队基于机器学习的群体遗传学研究揭示了葡萄驯化中有益和有害基因渐渗的生物学与育种意义

2023年6月5日，在国际葡萄与葡萄酒大会召开之际，《美国国家科学院院刊（PNAS）》在线发表了中国农业科学院农业基因组研究所周永锋团队在葡萄群体遗传学与育种领域的最新研究成果。

葡萄是我国重要的经济水果之一，是理想的鲜食水果和酿酒原料。培育品质优良且具有良好适应性的葡萄一直是葡萄育种家的目标，野生葡萄抗性强、生长势旺，经常被用来作为杂交亲本改良丰产性葡萄并加强抗病性。然而利用野生亲本的杂交过程也带来潜在的成本和障碍，引入的变异不一定都是有益的，也可能携带有害的基因。因此，为了更好的利用野生品种，科学家需要明确杂交渐渗在作物进化和改良中的发生过程以及其造成的影响，进一步对渐渗的变异进行判断，从而聚合有益变异、去除有害变异，以实现葡萄基因组设计育种。为此，周永锋团队利用基于机器学习、溯祖模拟、正向模拟和进化保守性等群体遗传学方法，明确了欧洲野生葡萄向栽培葡萄渐渗的基因组信号，及其发生的时间、模式、强度、生物学效应及其育种意义。揭示了葡萄单一驯化起源，以及后续来自欧洲野生近缘种的渐渗历史。该研究进一步发现渐渗区域富集了芳香化合物合成相关的基因，证明欧洲野生葡萄是改善酿酒葡萄风味的重要资源。另一方面，也发现渐渗包含了大量的有害变异和结构变异，它们主要以杂合态的形式隐藏在葡萄基因组中，增加了遗传负荷（Genetic Load），带来了潜在的育种成本。溯祖模拟和正向模拟深入揭示了驯化过程中基因渐渗对葡萄的有益于有害影响。该研究增进了对葡萄驯化过程中渐渗的了解，有助于理解渐渗区域在葡萄进化和改良中的作用机制, 为葡萄野生资源的利用和葡萄基因组设计育种提供新理论支持。

有关葡萄的起源和驯化历史一直存在着很大的争论。在2017年发表在PNAS的一篇文章上，周永锋研究员和Brandon Gaut教授等，就对葡萄的驯化历史进行了详尽的剖析，并发现葡萄的驯化历史可追溯至至1.5万多年以前，而不是从之前普遍认为的5000左右。其后续在2019年的Nature Plants论文中，更进一步发现驯化过程种积累的大量点突变（SNPs）和结构变异（SVs）对葡萄性别决定和果皮颜色等性状产生了重要影响。在这篇最新发表的PNAS文章中，基于之前的研究，研究人员分析了包括主要栽培品种、欧洲野生和近东野生葡萄在内的40份新的重测序数据和305份已发表测序数据，对群体间的分化历史、渐渗强度和时间进行了更为准确详尽的研究，采用溯祖模拟，不仅再此印证葡萄驯化的一万多年历史，更进一步的细化了欧洲、近东地区野生葡萄和鲜食、酿酒葡萄之间的驯化和分化历史。同时，发现在近两千年左右，栽培葡萄尤其是酿酒葡萄与欧洲野生葡萄有持续的基因交流。接着研究人员利用基因渐渗分析，确认了酿酒葡萄群体中具有明显的欧洲野生葡萄渐渗信号（图1）。

图1. 基于溯祖模拟推测的葡萄群体间的分化和渐渗历史。

采用基于机器学习的群体遗传分析，在渐渗区域富集到多种代谢途径基因，表明欧洲野生葡萄对酿酒葡萄的香味等性状可能产生了重要影响。进一步，研究人员基于机器学习方法，对酿酒葡萄基因组上的渐渗区域和受选择情况进行了全面的预测。发现酿酒葡萄基因组上，人工选择信号主要以受到软选择（soft sweep）为主，选择区域达到了基因组的12%左右，21%以上的区域都是软选择连锁（soft-linked）区域。然而，仅有0.14%和0.17%的基因组区域分别检测到了Hard sweep和hard-linked信号。同时，在整个酿酒葡萄基因组上1.82%的区域有来自欧洲野生葡萄的渐渗（图2），36%渐渗区域同时受到了选择的影响。接着团队分析了这些渐渗区域的特征，发现部分渐渗区域被超过80%以上的酿酒葡萄所共享，大多数渐渗位点以杂合态的形式存在于基因组中，且在渐渗区段上的有害变异（dSNPs）和结构变异（SV）密度明显高于非渐渗区域（图3）。团队还进一步借助正向模拟，展示了杂交发生后渐渗位点在克隆群体和异交群体中的动态变化过程，他们发现短期内，克隆繁殖能更快的选择有利变异，清除有害变异。但从长远角度看，异交繁殖的选择则更为彻底（图4）。

图2.基于机器学习模型预测群体间各染色体上的渐渗强度。

审稿人评价该研究非常有意义，在葡萄的起源、时间和渐渗事件上发表了重要成果，首次证实了人工选择以soft sweep为主。同时，从适应和不适应的角度，在野生葡萄向栽培葡萄的渐渗上提供了新的见解。渐渗导致的适应和不适应的相互作用不仅与葡萄有关，也与许多其他植物和动物有关，可以进一步应用在葡萄生物学研究和基因组设计育种中去。

图3. 酿酒葡萄受渐渗区段特征。

图4.正向模拟渐渗片段在异交或克隆繁殖下的变化过程及其适合度影响。

该研究得到国家基金委海外优秀青年基金等项目的资助。基因组所博士后肖华、刘众杰、王楠为该论文的共同第一作者，基因组所周永锋研究员和加州大学尔湾分校Brandon Gaut教授为共同通讯作者。加州大学戴维斯分校Andrew M. Walker教授和Summaira Riaz博士，基因组所彭艳玲博士、刘文文博士和研究生龙颀明、曹硕、黄贵州参与了该研究。周永锋团队王怡雯博士、马志尧博士、徐小东博士、张帆博士、薛辉博士和Bilal Ahmad博士以及全部研究生对文章修改提出了宝贵意见。

原文链接：

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2222041120

团队介绍

周永锋团队长期专注于葡萄群体遗传学、数量遗传学与全基因组智能设计育种工作，开展了葡萄的驯化群体基因组学研究，发掘与重要农艺性状相关的候选基因，揭示作物的驯化成本；解析了重要性状相关的适应性变异、有害变异和结构变异及其育种意义。迄今已在国际学术期刊发表论文30余篇，其中近五年以第一作者或通讯作者在Nature Plants、PNAS、Molecular Biology and Evolution等高水平论文18篇，并在PAG、SMBE等国际学术大会与国内外同行分享相关成果。团队不断吸纳国内外优秀人才在深圳鹏城汇聚一堂，同时与国内外一流实验室深度合作与交流，并于深圳初步建立了全国野生葡萄种质资源圃，努力培养学生浓厚的科研兴趣、扎实的科研技能和独立思考的能力，为国内农业可持续发展和葡萄种质创新培育优秀的后备人才。团队常年热烈欢迎各层次优秀人才加盟(详情请见下文)。

团队官网：

https://agis.caas.cn/kydw/kydwyjzx/zwjyzyjzx/9e98b2892aeb45f0aa0020129c8011ea.htm

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