《International Journal of Molecular Sciences》：Application of Genotyping-by-Sequencing for Analysis of Breeding Signatures in Russian Spring Barley Collection
编辑推荐：
大麦（Hordeum vulgare L.）的高度适应性使其能够在几乎整个俄罗斯境内及各种极端环境中栽培。然而，历史悠久的俄罗斯大麦种质资源的遗传多样性和群体结构在基因组水平上仍未得到充分表征。本研究首次对GeneAgro种子库保存的大麦种质panel进行了全
大麦（Hordeum vulgare L.）的高度适应性使其能够在几乎整个俄罗斯境内及各种极端环境中栽培。然而，历史悠久的俄罗斯大麦种质资源的遗传多样性和群体结构在基因组水平上仍未得到充分表征。本研究首次对GeneAgro种子库保存的大麦种质panel进行了全面的基因组描述。研究人员利用基因分型测序（genotyping by sequencing，GBS）获得了158份俄罗斯和21份外国材料的优质基因分型数据。研究人员评估了全基因组多样性和群体结构，揭示出清晰的遗传分层，分为二棱大麦和六棱大麦。俄罗斯种质补充了莱布尼茨植物遗传与作物研究所（Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research，IPK）保存的19,000余份栽培大麦种质资源的多样性，扩展了专门针对俄罗斯环境和经济需求培育的种质代表性。为了鉴定可能受育种影响的基因组区域，研究人员扫描了本土GeneAgro大麦种质的选择性足迹。研究人员在基因组中检测到多个此类区域。其中一些区域为二棱和六棱大麦所共有，另一些则特定于某一棱型，这可能反映了它们育种历史的差异。这些区域包含先前与穗部结构、植株形态、开花时间、育性、籽粒颜色、光合作用、种子休眠和真菌病原抗性相关的候选基因。这些候选基因为未来等位基因和表型水平的研究提供了假设。
大麦（Hordeum vulgare L.）是全球重要的谷类作物，其高度适应性使其在俄罗斯几乎全境和多种极端环境中广泛栽培。然而，俄罗斯历史大麦种质的遗传多样性和群体结构在基因组水平尚未得到充分解析。国际主要大麦基因库——莱布尼茨植物遗传与作物研究所（IPK）已通过基因分型测序（GBS）对全球大麦种质进行了大规模研究，但俄罗斯种质，特别是二棱春大麦，代表性不足。本研究首次对俄罗斯科学院西伯利亚分院细胞与遗传学研究所（ICG SB RAS）GeneAgro种子库保存的栽培春大麦种质进行了全面的基因组特征描述，旨在解析其遗传多样性、群体结构和育种诱导的选择信号，为后续适应性等位基因鉴定和育种利用奠定基础。
研究人员对GeneAgro种子库保存的218份栽培春大麦种质（192份俄罗斯、26份外国）进行GBS测序，经质量过滤后保留179份材料（158份俄罗斯、21份外国）和18,687个双等位SNP用于分析。群体结构分析显示，第一主成分将二棱和六棱大麦分开；ADMIXTURE最优K=3对应地理来源，俄罗斯二棱材料具有高加索和欧洲基因池的混合祖先。将GeneAgro数据与IPK全球19,778份大麦种质合并分析，俄罗斯材料与IPK俄罗斯材料聚在一起，但GeneAgro补充了二棱春大麦的多样性。选择信号分析检测到多个基因组区域，其中包含已知候选基因，如穗型基因、株型基因、生育期和育性基因、粒色基因、抗病基因、光合基因和休眠基因。这些发现表明俄罗斯育种历史对多种农艺性状产生了选择压力，并提示俄罗斯种质可能为全球大麦遗传资源贡献新变异。
关键技术方法：研究人员使用基因分型测序（GBS）技术对GeneAgro种子库的218份春大麦种质（192份俄罗斯、26份外国）进行测序，将reads比对到Morex v2参考基因组并进行变异检测；经缺失率和MAF过滤后，结合IPK全球大麦种质（19,778份）进行合并分析。群体结构分析采用主成分分析（PCA）、ADMIXTURE和系统发育树；选择信号分析采用Tajima's D、nSL、Fst和XP-nSL统计，并使用SweepCluster对显著SNP聚类；候选基因搜索基于已克隆的功能基因列表，通过BLAST比对到Morex v2坐标，并选取位于或邻近选择信号区域（≤5 Mb）的基因。
研究结果如下：
2.1 全基因组SNP发现：通过对218个GBS文库测序，共获得554.1 million条reads，每个文库中位数为2.55 million；95.0%的reads比对到Morex v2参考基因组。过滤后保留179份材料和18,687个双等位SNP，杂合度中位数为0.021。SNP在染色体上分布不均匀，中间区域稀疏，末端基因富集区域较密集。
2.2 GeneAgro大麦种质群体结构：基于LD修剪后的3,181个SNP的PCA显示，前五个主成分解释67%的变异，第一主成分将二棱和六棱大麦分为两个集群。ADMIXTURE分析确定K=3为最优，此时群体对应地理来源：高加索（亚美尼亚、阿塞拜疆）、欧洲和六棱大麦主导的遗传簇；俄罗斯二棱材料显示高加索和欧洲基因池的混合祖先。
2.3 GeneAgro种质向IPK全球大麦种质库的投影：与IPK 19,778份材料合并后，经质控保留18,342份材料和7,980个SNP。PCA显示GeneAgro的俄罗斯材料与IPK的俄罗斯材料聚集，但IPK俄罗斯材料以六棱冬性为主，而GeneAgro panel补充了二棱春性类型，扩展了俄罗斯大麦遗传多样性的代表。
2.4 俄罗斯GeneAgro大麦的育种印记：对115份二棱和28份六棱俄罗斯材料，用Tajima's D、nSL、Fst和XP-nSL扫描选择信号。Tajima's D在二棱和六棱中分别发现25个和20个显著区域；nSL分析分别聚类到34个和24个区域。基因组平均加权Fst为0.213，最大0.817，高分化区域位于2H、3H、5H、6H和7H；XP-nSL发现二棱材料在4H、5H、6H有正信号，六棱材料在2H、5H、7H有负信号。三个区域同时显示近期选择和高Fst（2H、5H、7H），加权Fst介于0.7至0.82。
2.5 俄罗斯育种靶向的候选基因：在至少两种方法检测到的选择信号区域周围5 Mb范围内，与已克隆基因列表比对，共鉴定32个候选基因。这些基因参与穗型（如HvAP2L-H5/Int-m、HvCOM1、HvRAW1、HvDEP1、Trd1）、株型（HvDIM、HvDL、ELI-A、Lnt1）、开花时间和育性（HvPRR37/Ppd-H1、HvLEAFY/mov5、HvMLH3/des10、HvPHYC/eam5、Vrn-H1、Cly1、eam8、Vrn-H3）、粒色（Ant2、Ant17、Ant28、Ant30）、抗病（Rpg5、Rpg4、Rph3、Rph1、RAR1、ROR2）、光合（Xantha-g、Xantha-h）和休眠（Qsd1、Qsd2）等过程。
讨论部分指出，GeneAgro panel扩展了IPK全球大麦资源中俄罗斯二棱春大麦的多样性；穗型是群体结构的主要决定因素，这与二棱和六棱大麦独立育种历史一致。选择信号分析检测到了已知的育种位点，验证了数据和分析流程的可靠性。同时，两棱和六棱样本量不平衡（115 vs 28）是限制因素，但多方法联合分析和严格过滤提高了候选区域的可靠性。研究结论为：本研究首次对俄罗斯GeneAgro种子库大麦的遗传多样性和育种印记进行了全面研究，为未来鉴定适应性等位基因奠定基础。穗型是塑造该种质遗传组成的主要因素，二棱和六棱大麦同时具有共有和棱型特异的育种选择信号。选择信号区域包含已知控制穗型、植株形态、产量相关性状、粒色、抗病、光合和休眠的候选基因。研究人员推测，其中一些区域反映了俄罗斯大麦育种对当地生长条件、病原菌压力或制麦品质适应的历史。然而，选择信号与已知基因的邻近并不能表明种质中存在哪些功能性等位基因，也不能说明它们是否影响相关性状或选择发生的时间；验证这些假设需要通过候选基因的等位基因水平表征、表型关联研究及历史材料年代测定。在IPK全球大麦种质背景下，GeneAgro panel提高了俄罗斯大麦，尤其是二棱春性类型的代表性，俄罗斯种质可能为现有遗传资源贡献新的变异。
