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    近年来，基于SNP的全基因组关联分析（SNP-GWAS）在动植物群体遗传学中得到广泛应用。然而，随着科研人员对结构变异（SV）的日趋重视，人们逐渐发现相比于SNP，SV能解释更多的遗传变异现象（例如驯化、抗病、抗逆性），基于SV的GWAS分析也相继应用在玉米、黄瓜、葡萄、小麦、番茄等物种中。

    2020年10月，Genome Biology 在线发表了题为“An integrated peach genome structural variation map uncovers genes associated with fruit traits”的研究论文，该研究通过对336份桃个体进行深度测序，获得了全面的SV变异图谱，随后基于SV-GWAS鉴定到与26个农艺性状相关联的候选基因，为后续桃树的基因组和遗传育种研究提供了宝贵资源。

图1  文章发表信息

研究背景

    结构变异(structural variations,SV)在基因组中广泛存在，包括插入、缺失、复制、倒位和易位等。据报道，在许多植物中，SVs可调节农艺性状，如番茄的果实性状、大豆的线虫抗性、黄瓜的生殖形态、柑橘的无性生殖等。尽管SV是植物遗传多样性的重要来源，但SV对桃基因组和农艺性状的影响在很大程度上仍然未知。通过对桃树进行SV检测，并进行SV-GWAS分析，可为桃的遗传育种提供新见解。

研究思路

    材料：336份桃个体，包括野生种13份，观赏种20份，地方种70份，改良种233份。

    测序：平均测序深度24×，不低于5G的数据。

    表型性状：11个质量性状（包括果形、果毛羽、果肉颜色(白色/黄色)、核周围果肉颜色、花形(双/单），15个数量性状（包括节间长度、花/叶芽比、雌蕊和柱头之间的相对高度、缝合深度、果实发育期、发育期、叶长、叶宽、开花日期、盛开日期、开花结束日期、叶片展开日期、果实成熟日期、落叶日期和落叶结束日期）。

1、桃树SV的检测及功能分析

    通过对336份桃种质资源进行深度测序（24×），同时结合多种软件进行SV检测，研究者共获得202273个高质量的SV，包括121527个插入和缺失、10728个重复、8336个倒位、61682个易位。基于SV，可将选取的桃分为三大类：观赏品种和地方品种为一组，改良品种组和野生组，与之前基于SNP的群体结构分析结果相一致。此外，研究者随机选取6个品种进行PacBio测序，结果表明基于二代测序检测到的SV准确率为88%。

图2  桃树SV的检测及群体结构分析

    基于检测的SV，研究者发现桃树98%的基因都与SV相关，包括20721个编码区，3505个内含子和2135个启动子区，与SV无关联的基因大多与桃树的基本生物过程相关，这说明SVs在基因调控和形态变异中起主要作用。

    选择性消除分析表明，基于SNP和SV分别鉴定到的受选择和驯化的区域重叠率仅有11.7Mb，因此研究者随后基于出现频率来选择SV用于驯化和改良区域的扫描。研究发现，在桃进化过程中，总共选择了2268个基因，其中1059个是在驯化过程中选择的，145个是在改良过程中选择的，1064个是在两个过程中都选择的，这些基因显著富集在细胞对刺激和信号反应的通路中。

图3  桃树SV的功能分布与注释

2、桃树26个农艺性状的SV-GWAS分析结果

    为了验证SV-GWAS在桃树中的可行性，研究者先选取了8个已经基于SNP-GWAS分析找到候选关联基因的性状，随后分别进行SNP-GWAS和SV-GWAS分析，结果表明SV-GWAS分析结果不仅与SNP-GWAS结果相一致，还包括了一些SNP-GWAS未鉴定到的区域。这表明，在某些情况下，SV-GWAS可以超越SNP-GWAS，能提供更加有效的策略来识别候选基因。基于此，研究者随后重点对果实早熟、果核周围颜色、果实形状进行SV-GWAS分析，并对筛选到的基因做基因功能验证。

（1）桃果实早熟

    之前研究表明，4号染色体上的Prupe.4G186800基因编码NAC转录因子，该基因上的9bp插入与果实早熟有关。为验证这一结论，研究者首先对果实早熟性状进行SV-GWAS，发现4号染色体上Prupe.4G186800和Prupe.4G186900有相同的LD-block。但随后在不同MD桃的转录组分析结果中，仅有Prupe.4G186800基因显著表达。这表明Prupe.4G186800中编码NAC转录因子的9bp插入与桃果实早熟有关。

图4  桃早熟性状的SV-GWAS分析及转录组验证

（2）桃果核周围颜色

    已有研究表明，PpMYB10.1基因控制桃果肉颜色，但桃果核周围颜色的遗传机制尚不清楚。根据使用SV数据的GWAS分析，发现487-bp 的缺失影响PpMYB10.1启动子区域与该性状相关，并且缺失基因型与果核周围红肉高度相关。qRT-PCR分析表明该缺失与相应果核区域中花色苷的出现相关。在双荧光素酶报告分析中，研究者发现，该缺失增强了启动子活性，与核蛋白激酶B10.1在果核周围肉色形成中的作用一致。此外，研究者发现PpMYB10.1启动子中的缺失是在驯化过程中选择的，在地方品种中的出现频率明显高于野生种质。

图5  桃果核周围颜色的SV-GWAS分析及qRT-PCR、双荧光素酶验证

（3）桃果实形状

    桃果实有扁平和圆形两种形状，扁平形状的遗传机制尚不清楚。通过SV-GWAS分析，在6号染色体上确定了1.67-Mb的倒位与该性状相关，且只有杂合子才出现扁平形状。研究者通过PacBio进行局部组装，并与参考基因组比对，验证了该倒位现象的存在。该倒位区域也涵盖了之前基于SNP报道的扁平形状相关的10kb-缺失区域。

    最后，研究者为了确定控制扁平形状的最佳候选基因，分别进行了qRT-PCR、番茄转基因体系验证、石蜡切片分析，确定了PpOFP1基因控制果实扁平形状的形成。

图6  桃果实形状的SV-GWAS分析及试验验证

    在本研究中，研究者分析了桃驯化和改良过程中SVs对基因组的影响，发现桃中几乎所有的基因都受到SVs的影响，极少数未受影响的基因几乎都参与了核心生物过程。研究者也发现，SV-GWAS比SNP-GWAS在识别候选基因和解释遗传变异方面更有效，并鉴定了与果实早熟、果核周围颜色、果实形状相关的SV及候选基因，为桃树优良品种的选育提供宝贵资源。我们有理由相信，SV-GWAS会在植物群体遗传学中得到更加广泛的应用！