基于单倍型的大麦驯化进化史揭示多中心起源与基因组镶嵌结构

本研究针对大麦(Hordeum vulgare)驯化起源争议，通过全基因组测序与单倍型分析(IntroBlocker)，整合682份种质库样本和23份古DNA数据，揭示大麦驯化存在多野生祖先贡献的镶嵌基因组结构，关键驯化基因(Btr1/Btr2, Vrs1, Nud)起源于不同地理种群，且古代DNA证实了基因流动持续影响现代品种多样性。该研究为作物进化机制和育种策略提供了新视角。

　　

大麦作为世界上最古老的栽培作物之一，其驯化历史长期以来是作物进化研究的焦点。传统观点认为作物驯化存在单一起源中心，但近年来分子遗传学研究逐渐支持大麦具有复杂的基因组镶嵌 ancestry（祖先遗传组成）。随着全基因组测序技术的发展，科学家们得以从单倍型层面深入探究大麦驯化的奥秘——这些构成基因组 mosaic（镶嵌结构）的基本单元究竟来自何处？是所有栽培大麦都共享相同的野生祖先，还是特定野生种群对不同栽培谱系有特殊贡献？

为了解答这些问题，由德国莱布尼茨植物遗传与作物植物研究所（IPK）Martin Mascher领衔的国际研究团队，在《自然》杂志发表了这项开创性研究。研究人员采用单倍型分析方法，对野生和栽培大麦的遗传多样性及种群结构进行了深入解析。他们通过对682份种质库样本和23份考古标本的全基因组测序，追溯了单倍型的时空起源，鉴定了驯化过程中及后期基因流动事件的野生贡献者。古DNA数据进一步支持了基于现代样本的全基因组发现。

研究的关键技术方法包括：全基因组测序（Illumina NovaSeq 6000平台）覆盖251份野生大麦和116份栽培大麦；单倍型分析使用IntroBlocker工具定义祖先单倍型群（AHGs）；群体遗传分析采用ADMIXTURE、PCA和PSMC方法；古DNA提取和测序来自以色列三个考古遗址的23份大麦样本；关键驯化基因的进化年龄使用GEVA（Genealogical Estimation of Variant Age）估算。

野生大麦的结构与分化

研究团队从380份野生大麦（H. vulgare subsp. spontaneum）材料入手，通过模型为基础的祖先成分估算和主成分分析，将野生大麦划分为五个地理种群：南部黎凡特（SL）、叙利亚沙漠（SD）、北部黎凡特（NL）、北部美索不达米亚（NM）和中亚（CA）。这些种群表现出不同的遗传多样性水平，其中叙利亚沙漠种群的分化程度最高。

通过分析序列分歧分布，研究人员发现野生大麦在着丝粒附近区域存在多峰分化模式，这与全球地表温度波动相吻合。特别值得注意的是，在南部黎凡特野生大麦中发现了一个"孑遗"单倍型，其与其他单倍型的分歧时间可追溯到约90万年前，远早于其他野生种群内部的分化时间。

大麦进化的单倍型视角

研究人员从19,778份栽培大麦中选择了302份样本进行全基因组测序，并应用IntroBlocker工具进行分析。与野生大麦相比，栽培大麦的序列分歧呈双峰分布：近期峰值约98个SNP/Mb（对应8,000年的分歧时间），反映了驯化瓶颈事件；早期峰值约6,500个SNP/Mb（对应53万年的分歧时间），反映了驯化前的分化事件。

研究发现在野生和栽培大麦之间存在广泛的着丝粒区域单倍型共享，为栽培大麦的镶嵌 ancestry 提供了直观证据。55.9%的栽培单倍型至少在一种野生大麦样本中存在，而7.0%的野生单倍型与栽培大麦共享。单倍型频率谱在野生和栽培大麦间存在显著差异：常见单倍型（主要等位基因频率>20%）在野生大麦中罕见，但在栽培大麦中更为频繁。

单倍型的时空起源

通过设置不同分歧时间阈值，研究人员追溯了栽培大麦单倍型的时间和空间起源。约91%的具有野生对应物的栽培单倍型在3.2万至8千年前与野生祖先分化，即在大麦直接野生祖先形成和驯化初始阶段。所有五个野生大麦种群都对栽培大麦有贡献，但比例不同：南部和北部黎凡特及中亚各种群贡献了20-27%的单倍型，叙利亚沙漠和北部美索不达米亚分别贡献了16.4%和12.9%。

不同栽培大麦群体接收的近期野生基因流也存在差异。西亚和中亚的栽培材料中野生渗入最为常见，其中叙利亚大麦（SYR-THM）中12.8%的单倍型可归因于近期（晚于8千年前）的野生渗入（主要来自中亚和北部美索不达米亚种群）。

栽培谱系关系

通过分析驯化后单倍型的分歧水平，研究人员推断了不同栽培大麦种群之间的分化时间。栽培大麦首先分为三个主要群体：西部（近东+欧洲）、东部和埃塞俄比亚大麦，它们在大约8,500年前相互分化，反映了农业从新月沃地扩散的时间。西部大麦随后在大约7,500年前分裂为三个谱系（近东、二棱欧洲和六棱欧洲），这与考古记录显示大麦在7千年前已被引入欧洲、北非和中亚的证据一致。

驯化基因的镶嵌 ancestry 视角

研究人员重点分析了三个关键驯化基因座：Btr1/Btr2（控制穗轴脆性）、Vrs1（控制穗型）和Nud（控制稃壳粘连）。通过GEVA估算突变等位基因及其周围单倍型的年龄，发现btr1单倍型年龄约为2.7万年，远早于最早的大麦考古遗存；btr2单倍型起源于约1.5万年前；vrs1.a1单倍型可追溯至约2.5万年前，而被认为是最古老的六棱等位基因。

这些驯化基因的最密切野生对应物存在于不同的现代野生大麦种群中：南部黎凡特（btr1、nud和vrs1.a3）、北部黎凡特（btr2和vrs1.a2）以及北部美索不达米亚和中亚（vrs1.a1和vrs1.a4）。这一结果与Pourkheirandish等人早期的基因分析相吻合，他们假设坚韧穗轴大麦有两个起源中心：一个在北部黎凡特，另一个在南部黎凡特。

古DNA揭示持续的结构

对23个距今6000至2000年的大麦籽粒的古DNA分析证实，这些古代大麦基因组携带与现代栽培大麦相同的长着丝粒周围单倍型，只有少数例外。身份同源（IBS）聚类和全基因组SNP系统发育树分析支持两棱Yoram Cave和Timna 34样本与现代ISR-THS种群聚类，而六棱Abi'or Cave样本与ME-SHS种群聚类。

多样性分析显示，古代样本往往显示出比现代样本更高的遗传多样性。对以色列古代大麦遗传多样性随时间增加的现象，D统计检测发现Yoram Cave样本没有可检测的基因流，但Timna 34中存在显著的西部基因渗入，而Abi'or Cave样本中的基因流动更强。

结论与讨论

这项研究支持并扩展了先前提出的关于栽培大麦镶嵌 ancestry 的两种模型：1）从多样化野生种群到早期驯化"原普通大麦"谱系的反复基因渗入；2）野生祖先基因库中预先存在的种群结构。这两种机制并不相互排斥，研究数据表明两者共同塑造了栽培大麦的基因组组成。

关键驯化基因座（Btr1/Btr2、Vrs1和Nud）的单倍型起源强调了这种复杂性。它们地理分布分散的野生亲缘关系指向了一个多中心驯化阶段，随后是在新月沃地内局部化的漫长栽培时期。在此期间，区域结构化的种群及其管理它们的人类社区开始在保持一定连通性的同时遗传分化。

单倍型分歧时间分析进一步支持了这一 scenario（情景）。从约300个SNP（对应2.5万年前）开始的分歧近期峰值标志着一个导致栽培大麦的独特遗传谱系的出现。这一估计与PSMC推断的在2.5万至1万年前有效种群规模的下降相一致，支持了"原驯化" protracted（漫长）阶段的观点。

这项基于单倍型的分析为大麦驯化和驯化后进化提供了高分辨率视角，支持了一个早期栽培涉及多个野生来源，随后经历基因流动、地理分化和本地适应的模型。这一复杂遗产继续塑造着现代大麦的基因组架构，并为未来的遗传和育种研究带来了挑战和机遇。