利用20K SNP芯片数据鉴定栽培苹果(Malus domestica)祖先种野苹果(Malus)属物种的贡献比例

《BMC Genomics》：Identifying the contributions of progenitor Malus species to cultivated apple (M. domestica) using 20K SNP array data

　　

摘要：栽培苹果(Malus domestica)被广泛认为是由天山野苹果(M. sieversii)、欧洲野苹果(M. sylvestris)和高加索野苹果(M. orientalis)混合起源，并可能含有山荆子(M. baccata)等小果型Malus属物种的贡献。尽管该起源理论得到基因组学研究的支持，但各祖先种对栽培品种基因组的相对贡献尚不清楚，且部分Malus属物种的分类存在争议。本研究利用Illumina Infinium 20K苹果SNP芯片对野苹果(Malus)属材料进行基因分型，构建了物种特异性SNP及单倍型模块(haploblock)等位基因库。排除高度混合个体及低程度混合个体中的混合单倍型后，利用该库明确了436份野生材料的祖先归属，并估算了M. sieversii、M. sylvestris、M. orientalis及小果型Malus属物种对M. domestica栽培品种的基因组占比。结果与既往研究基本一致，但揭示了新的祖先细节并可进行精确的单倍型水平归因。部分野生材料检出此前未报道的混合现象及分类异常。所有M. domestica栽培品种均为三个主要祖先种的混合物，部分品种亦显示小果型Malus属物种的贡献。各祖先种相对贡献因品种而异，证据表明东欧或西亚起源的老品种及传统品种比西欧起源的现代品种及传统品种含更少的M. sylvestris祖源。本研究为苹果起源提供了新的认识，强调Malus属分类需进一步厘清，结果对种质资源管理、历史研究和栽培苹果遗传改良具重要意义。所建立的物种特异性等位基因库可为相同SNP集分型的Malus属材料提供常规混合度估算资源。

论文解读——利用20K SNP芯片数据鉴定栽培苹果(Malus domestica)祖先种野苹果(Malus)属物种的贡献比例

研究背景与立项依据

domesticated apple（栽培苹果，Malus domestica Borkh.）的主流驯化理论认为其起源于中亚天山山脉的Malus sieversii，沿丝绸之路西传过程中与高加索—土耳其一带的Malus orientalis杂交，进入欧洲后与欧洲野苹果Malus sylvestris发生二次混合，亚洲小果型Malus属物种（如Malus baccata）也可能产生渐渗。然而已有研究对各祖先种对栽培品种基因组的相对遗传贡献比例尚无共识，且部分野生Malus属种质存在分类错误、种质库中代表性野生材料本身存在未被识别的混合渐渗，制约了精确的祖先归因。随着Illumina Infinium? 20K SNP芯片及Axiom? 480K SNP芯片在苹果属大量种质中的广泛应用，为利用祖先信息标记（Ancestry-Informative Markers, AIMs）及单倍型模块（haploblock）进行精细祖先推断提供了可能。因此研究人员拟构建Malus属物种特异性SNP及haploblock等位基因库，厘清野生种质真实归属，量化栽培苹果中各祖先种的基因组组成。

主要关键技术方法概述

研究人员选取经筛选剔除高度混合个体后的野生Malus属群体作为野生面板（wild panel），包括M. sieversii（n=110）、M. sylvestris（n=85）、M. orientalis（n=30）及小果型 exotic Malus组（M. baccata、M. prunifolia、M. toringo、M. spectabilis及其种间杂种，n=31）。栽培苹果(M. domestica)代表组含30份遗传距离较远的重要栽培品种。所有材料采用Illumina Infinium? 20K SNP芯片基因分型，部分缺失基因型通过子代及亲本借助图形基因分型（graphical genotyping）和SHAPEIT5软件进行定相（phasing）与填补。利用主成分分析（PCA，基于共享单倍型潜在长度SPLoSH矩阵）和STRUCTURE排除混合与误分类个体，以频率≥10%且仅在其他组内出现≤2次为标准筛选物种特异性SNP等位基因；在此基础上界定单倍型模块（≥3个SNP、<0.2 cM、<300 kb）并识别物种特异性haploblock等位基因。对混合区域进行屏蔽（masking）后建立最终物种特异性SNP及haploblock等位基因库，应用于野生种质祖先澄清及栽培品种祖先基因组比例估算（按厘摩cM加和归因）。

研究结果

Population structure of the test set（供试群体的人口结构/群体结构）

研究人员经PCA和STRUCTURE分析确认野生面板中M. sylvestris与M. sieversii/M. orientalis可较好分离，exotic Malus聚类介于M. domestica与M. sylvestris之间，M. sieversii与M. orientalis亲缘近无法被STRUCTURE完全区分（K=3最优）。30份M. domestica栽培品种平均祖先估算为约42% M. sylvestris、57% M. sieversii/M. orientalis、1% exotic Malus。少数古老品种（如'Api'）偏向M. sieversii/M. orientalis端。

Species-specific SNP and haploblock allele libraries（物种特异性SNP及单倍型模块等位基因库）

在10,321个SNP和1,395个haploblock中分别鉴定到4,426个物种特异性SNP等位基因和4,357个物种特异性haploblock等位基因。M. sieversii与M. orientalis共有大量特异性等位基因，单独特异地较少；exotic Malus特异性等位基因较少但因高纯合度和特征性单倍型可与栽培品种及主要祖先明显区分。该库可应用于相同SNP集分型的任意Malus属材料祖先推断。

Ancestral species composition and admixture estimations of wild accessions（野生种质的祖先物种组成与混合度估算）

应用等位基因库发现多数野生种质存在低水平混合（通常<3.7%），如部分M. sylvestris含来自M. sieversii/M. orientalis的多厘摩长单倍型片段。明确'Niedzwetzkyana'为纯M. sieversii，'Russian Seedling' >99% 归属M. sieversii/M. orientalis且PCA聚于M. orientalis群；Malus × floribunda 821含20.2% M. sieversii/M. orientalis成分；部分标注为M. prunifolia或M. baccata的材料实为杂交/混合个体，印证Malus属分类混乱。

Ancestral species composition of M. domestica cultivars（栽培苹果(M. domestica)品种的祖先物种组成）

所有测试栽培品种均为M. sieversii/M. orientalis与M. sylvestris的混合，部分含exotic Malus成分（如'Liberty'源自M. × floribunda 821具已知exotic Malus渐渗，'Honeycrisp'通过曾祖辈'Frostbite'携带少量exotic Malus）。平均约69.8%基因组可被明确归因，其中西欧起源的传统苹果及现代品种（如法式果酒品种'Blanc Mollet'、'Honeycrisp'）M. sylvestris祖源可达50%以上；东欧/西亚传统古老品种及部分古老法国品种（'Api'、'Fyriki'、'Kantil Sinap'）M. sylvestris祖源较低（13.9%–28.1%），M. sieversii/M. orientalis祖源较高（最高达85.1%）。无法完全区分M. sieversii与M. orientalis各自独立贡献，但两物种特异性单倍型均存在于所有栽培品种中。与STRUCTURE及Sun等（2020）全基因组估算结果高度相关（R2分别达0.89和0.96去除离群点后）。现代品种祖先单倍型片段较老品种更破碎化，但非绝对规律。

讨论与结论翻译

本研究首次在Malus属中利用祖先信息标记（AIMs）构建物种特异性SNP及haploblock等位基因库进行染色体片段水平的祖先归因与混合检测，结果与STRUCTURE及已有全基因组研究相符。澄清了野生种质真实归属（确认'Niedzwetzkyana'为纯M. sieversii，'Russian Seedling'聚类于M. orientalis），揭示多处标本馆材料存在杂交/混合及分类误判，强调Malus属分类修订必要性。证实所有M. domestica栽培品种为M. sieversii、M. sylvestris和M. orientalis三祖先混合，部分含小果型exotic Malus渐渗；祖先比例因品种起源地及年代而异——东欧/西亚古老及传统品种M. sylvestris祖源低于西欧传统及现代品种。M. orientalis对各栽培品种确有显著贡献（每品种均检出其特异性单倍型）。所建物种特异性等位基因库可供相同20K SNP芯片或其他平台覆盖这些AIMs的Malus属材料做可重复、一致的混合度与祖先归因分析，对苹果种质管理、驯化历史研究与育种具重要价值。局限主要来自20K SNP芯片的确定位偏差（ascertainment bias）及M. sieversii与M. orientalis紧密亲缘导致可分辨特异性标记偏少，未来可用更高密度芯片或测序数据、扩大野生代表群体完善AIM库及细化两近缘种贡献区分。

发表于《BMC Genomics》