红花驯化的遗传分析gydF4y2Ba

背景gydF4y2Ba

红花(gydF4y2BaCarthamus tinctoriusgydF4y2BaL.)是菊科(又名菊科)的一种油籽作物，因其富含不饱和脂肪酸而有价值。在此，我们对红花驯化的遗传结构进行了分析，并将我们的研究结果与向日葵的研究结果进行了比较。gydF4y2Ba向日葵gydF4y2BaL.)，是同一科的一种独立驯化的油籽作物。gydF4y2Ba

我们从一个红花和它的野生祖先的杂交后代中，绘制了24个驯化相关性状的数量性状位点(QTL)，gydF4y2BaCarthamus palaestinusgydF4y2BaEig。此外，我们还将红花的QTL位置与之前在栽培和野生向日葵杂交中鉴定的QTL位置进行了比较，以确定共定位实例。gydF4y2Ba

结果gydF4y2Ba

我们绘制了61个QTL，其中绝大多数(59个)表现出轻微或中等的表型效应。两个大效QTL分别对应花色和叶片棘度。有14个红花QTL与向日葵QTL共定位，具有相同的性状。其中，三个性状(开花天数、瘦果长度和自交种子数)的QTL在两个物种中具有相同方向的效应。gydF4y2Ba

结论gydF4y2Ba

正如我们在向日葵中观察到的，不同于许多其他作物，我们的结果表明，红花驯化的遗传是相当复杂的。此外，我们的对比定位结果表明，红花和向日葵表现出许多QTL共定位的实例，这表明驯化过程中平行的性状转变可能是由一些相同的潜在基因的平行基因型进化所驱动的，至少部分是这样。gydF4y2Ba

长期以来，驯化过程一直被认为是一种“应用进化”的形式，它启发了一些最早的关于自然选择反应进化的研究[gydF4y2Ba1gydF4y2Ba］．事实上，鉴于驯化物种对人类干扰环境的适应与野生物种对自然环境生存的适应之间的相似之处[gydF4y2Ba2gydF4y2Ba，许多人认为驯化下的进化是研究适应遗传学的宝贵机会。因为许多作物物种都有一套共同的性状(例如，种子失去休眠、开花时间一致和果实大小)，这些性状是在驯化过程中对选择的响应(称为“驯化综合征”);［gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba])，跨独立作物谱系的比较分析也为研究平行表型进化的遗传基础提供了很大的希望。gydF4y2Ba

多年来，定量性状位点(QTL)定位已被应用于许多作物品种驯化综合征性状的遗传结构研究。尽管早期基于QTL的研究表明，驯化性状主要由少数大效应QTL控制(如[gydF4y2Ba4gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba6gydF4y2Ba)，其他研究揭示了更高水平的遗传复杂性(例如[gydF4y2Ba7gydF4y2Ba，gydF4y2Ba8gydF4y2Ba])。QTL分析之间的比较还可以深入了解独立作物谱系之间的平行表型变化在何种程度上是由同源基因或至少基因组区域的选择驱动的。例如，豆科作物之间的比较QTL定位[gydF4y2Ba9gydF4y2Ba],禾本科[gydF4y2Ba10gydF4y2Ba，gydF4y2Ba11gydF4y2Ba]和茄科[gydF4y2Ba12gydF4y2Ba]提供的证据表明，许多驯化性状，包括种子重量的增加、果实大小的增加以及开花时间和生活史的变化，可能是由不同谱系中同源基因的独立变化所决定的。除了提供基本的进化见解之外，这种比较基因组分析也有可能帮助改进其他鲜为人知的作物。例如，知识gydF4y2Ba拟南芥gydF4y2Ba矮生型基因,gydF4y2Ba时至今日gydF4y2Ba，在结构和功能上与小麦和玉米矮化基因同源gydF4y2BaRHT-B1 RHT-D1,gydF4y2Ba而且gydF4y2BaD8gydF4y2Ba，导致了转型gydF4y2Ba时至今日gydF4y2Ba印度香米基因培育矮秆品种[gydF4y2Ba13gydF4y2Ba］．gydF4y2Ba

在本研究中，我们研究了油料作物红花驯化综合征的遗传基础。gydF4y2BaCarthamus tinctoriusgydF4y2Bal;Carduoideae)。红花是一种一年生、自亲和的二倍体植物gydF4y2BangydF4y2Ba= 2gydF4y2BaxgydF4y2Ba= 24;［gydF4y2Ba14gydF4y2Ba])被认为是大约4000年前在新月沃土地区有单一的驯化起源[gydF4y2Ba15gydF4y2Ba］．本种很适应在干燥的环境中生长，有一个长主根(据报道生长超过1.5米;［gydF4y2Ba16gydF4y2Ba，gydF4y2Ba17gydF4y2Ba)，即使在表面水分有限的情况下，也能使水分吸收。最初，种植红花是为了获得它的花色素(红花胺;［gydF4y2Ba18gydF4y2Ba])。自从它最初被驯化以来，红花种植已经传播到世界其他地区，包括许多不发达国家(如埃塞俄比亚、阿富汗和苏丹)。红花在美洲的商业化始于20世纪50年代，在那里它主要被用作油料作物，鸟类种子混合和作为一种观赏物种。红花作为一种油料作物特别有吸引力，因为它的籽油富含单不饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸。尽管红花具有许多构成驯化综合征的标准特征(例如，种子休眠消失、开花时间均匀、种子产量增加、种子油质量和含量增加)，但大多数栽培红花品种都保留了其野生亲戚的某些杂草样特征(例如，分枝和叶刺)。gydF4y2Ba

红花是菊科(又称菊科)的一员，菊科是目前公认的最大的开花植物科[gydF4y2Ba19gydF4y2Ba，gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba］．本科包含约10%的开花植物品种[gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba]，包括40多种用途的重要经济作物，例如红花、莴苣(gydF4y2Ba摘要以gydF4y2Bal;菊科)和葵花科(gydF4y2Ba向日葵gydF4y2Bal;Asteroideae)。这三种作物代表了菊科的三个主要亚科，它们共同占了该科95%的物种多样性。和红花一样，向日葵主要作为油籽作物种植。鉴于此，加上有关栽培向日葵起源和进化的丰富资料(例如:[gydF4y2Ba7gydF4y2Ba，gydF4y2Ba8gydF4y2Ba，gydF4y2Ba21gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba25gydF4y2Ba])，我们的工作也提供了一个机会来研究这个重要家族中驯化过程中平行表型变化的遗传基础。gydF4y2Ba

在这里，我们描述了一项基于遗传图谱的研究，在一个由红花和它的野生祖先(gydF4y2Bac . palaestinusgydF4y2BaEig。见下文)。结果表明，红花驯化的遗传结构是复杂的，大部分性状由多个QTL控制，表型效应小到中等。此外，将我们的结果与向日葵的相似分析结果进行比较，提供了QTL共定位的证据，强调了红花和向日葵之间的遗传结构可能的相似性，在某些情况下，表明平行性状过渡可能是由这些谱系中的平行基因型变化驱动的。gydF4y2Ba

映射的人口gydF4y2Ba

从美国农业部获得的两种红花的种子(cv AC Sunset;π592391)和gydF4y2Bac . palaestinusgydF4y2Ba(PI 235663)于2009年夏在乔治亚大学温室萌发。AC Sunset是在加拿大培育的自交系两用(即鸟食和油料)品种[gydF4y2Ba26gydF4y2Ba］．像许多其他高油品种，AC日落植物的叶缘有突出的刺。基于核和叶绿体标记的遗传分析[gydF4y2Ba27gydF4y2Ba]以及考古[gydF4y2Ba28gydF4y2Ba]和地理证据[gydF4y2Ba18gydF4y2Ba，gydF4y2Ba29gydF4y2Ba都指向了主要的自恋gydF4y2Bac . palaestinusgydF4y2Ba（2gydF4y2BangydF4y2Ba= 2gydF4y2BaxgydF4y2Ba= 24;［gydF4y2Ba30.gydF4y2Ba)是红花的野生始祖。本种原产于中东以色列周围的地区，与红花完全交叉兼容。尽管它在各种性状上表现出相当大的形态变异，包括叶刺、叶形状、莲座习惯的持续时间和花的颜色，gydF4y2Bac . palaestinusgydF4y2Ba根据其不均匀发芽的倾向，扩展的莲座结习惯，和较小的种子大小，可以与红花区分开来。此外，与大多数基于作物与野生动物比较的预期相反，gydF4y2Bac . palaestinusgydF4y2Ba表现出比红花更有限的分枝([gydF4y2Ba31gydF4y2Ba];未发表的观察)。gydF4y2Ba

在一株红花和它的野生祖先的杂交中，一株红花作为花粉供体。FgydF4y2Ba_1gydF4y2Ba从这个杂交的种子发芽和产生的植株自交产生FgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba家族，其中最大的选择用于本文描述的QTL分析。由276 FgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba2010年夏天，个体在温室中生长并进行表型分析。此外，9株AC Sunset自交系和9株自交后代gydF4y2Bac . palaestinusgydF4y2Ba作图亲本与作图群体一起在温室中生长，以提供与作图群体相同条件下的亲本性状均值估计。绘图种群和亲本植物被移植到12英寸高的树(Stuewe and Sons, Tangent, OR)，并在一个温室房间内完全随机地生长。在整个研究过程中，所有花盆每周都要移动一次，以尽量减少温室内微环境变化的影响。gydF4y2Ba

表现型gydF4y2Ba

每天检查植株，并记录日期以估计根系生长速度和开花开始时间。根系的生长速率基于根系到达每个花盆底部的天数。从每棵植物中收集的三片叶子(最近完全展开的叶子、主要头状花序直接下方的叶子和最长的莲座丛叶)，对叶片的大小、形状、周长和棘度进行估计和平均，并用ImageJ v1.43u进行扫描分析[gydF4y2Ba32gydF4y2Ba])。脊柱度的测量采用了脊柱指数的修正版本，该版本最初在[gydF4y2Ba33gydF4y2Ba就是叶子上的刺的数量乘以叶子上最长的刺的长度。这里使用了一种“标准化脊柱指数”，即每厘米叶缘的脊柱数量乘以叶片上最长脊柱的长度。gydF4y2Ba

花冠在开花当天被套袋，以防止异花授粉和潜在的种子丢失。在每株第一次开花的当天，用数字卡尺测量初粒头和盘的高度和直径。茎高是指从植株基部到主茎基部的茎长。在第三个花头开放当天采集新鲜小花，在所有花期结束后从第一个花头采集成熟小花。这些小花被快速冷冻在液氮中以保存它们的色素，随后用Gardner XL20色度计(Bethesda, MD)测量，使用CIE L*a*b*颜色空间的坐标(其中L*代表光度，a*和b*分别代表每个色素的色调在红/绿和蓝/黄坐标轴上的坐标;［gydF4y2Ba34gydF4y2Ba，gydF4y2Ba35gydF4y2Ba])。对于每次测量，由于光强的不同而导致的色相差异通过保持L*恒定在30个单位来控制。由于在AC Sunset中(但在野生祖株中没有)小花颜色从黄色(开花)到红色(衰老)变化，我们通过计算开花时a*值与成熟时a*值的差值来记录每株植物小花颜色变化的幅度。较小的a*值对应较黄的花，较大的a*值对应较红的花，b*值在这两种颜色之间变化不大。gydF4y2Ba

在生理成熟时(即苞片不再是绿色的时候)收割。在收获7天后，用10%的漂白剂溶液对12-16粒瘦果进行杀菌，并在1.5厘米深的地方种植在生长室中保持的小花盆中，以评估种子休眠和活力。初生穗缺少足够结实数的植物(n = 119)在分析中被遗漏。在长达60天的时间里，每天监测花盆，记录幼苗出苗的日期，并用来估计在60天窗口内发芽的瘦果的比例，并计算每个FgydF4y2Ba_3.gydF4y2Ba家庭。gydF4y2Ba

在开花结束时，记录每株植物的衰老头数、最低分枝点的高度(离土高度)、节间数和第二个节间长度。当剩下的果穗成熟后，收割自生瘦果，计数、称量和测量。瘦果的平均重量是基于50个瘦果的随机子集。然而，对于产生少于50个瘦果的植物，平均瘦果重量是基于所产生的所有瘦果。gydF4y2Ba

估计了所有有足够结实率的植物的种子含油量和组成。这些测量是按照先前建立的协议进行的(含油量百分比:[gydF4y2Ba21gydF4y2Ba，gydF4y2Ba36gydF4y2Ba];种子油成分:[gydF4y2Ba24gydF4y2Ba])。简单地说，使用Bruker MQ20迷你核磁共振分析仪(The Woodlands, TX)来确定油含量百分比。通过将约1厘米厚的薄纸放入平底管中，并在薄纸上添加约1厘米清洁过的红花种子，对标准方案进行了修改，以适应基于小种子集的测量。油含量百分比的估计使用校准曲线，以商业红花油为标准(好莱坞，博尔德，CO)。采用气相色谱法测定油脂中的脂肪酸甲酯成分。从每株植物中手工磨出10个瘦果，提取脂肪酸，然后使用Agilent 6890 N气相色谱仪(Santa Clara, CA)进行分析。gydF4y2Ba

SNP识别gydF4y2Ba

从表达的序列标签(EST)和来自每个亲本的转录组数据中，我们发现了区分本群体亲本的单核苷酸多态性(SNPs)。对于培养的映射亲本，我们使用了Chapman等人描述的通过Sanger测序获得的AC Sunset EST数据。[gydF4y2Ba37gydF4y2Ba］．对于野生亲本，我们通过454测序(454 Life Sciences, Branford, CT)获得了转录组序列数据，如下所示:从单个植株的成熟叶片、苞片、小花和发育中的胚球中提取RNAgydF4y2Bac . palaestinusgydF4y2Ba植物使用组合trizol (Invitrogen, Carlsbad, CA)和RNeasy迷你柱(Qiagen, Valencia, CA)方法。从每种组织类型中提取的RNA按相等比例汇集，按照Lai等人描述的协议在454文库制备前进行归一化。[gydF4y2Ba38gydF4y2Ba和迈耶等人。[gydF4y2Ba39gydF4y2Ba]，使用MIRA v3.0.3进行测序和组装[gydF4y2Ba40gydF4y2Ba)(参见附加文件gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)．gydF4y2Ba

来自映射父程序集的组装序列使用Mosaik [gydF4y2Ba41gydF4y2Ba］．使用SAMtools识别snp [gydF4y2Ba42gydF4y2Ba并通过Illumina GoldenGate“分析设计工具”(加州圣地亚哥;gydF4y2Bahttp://illumina.com/gydF4y2Ba)，该方法识别出在目标SNP位点60 bp内不存在其他多态性的SNP，并分配一个质量评分，预测SNP的检测成功程度。为了便于下游比较基因组分析，本研究中使用的snp优先选择于gydF4y2BaCarthamusgydF4y2Ba高密度向日葵“共识”图中具有映射同源物的Unigenes [gydF4y2Ba43gydF4y2Ba］．总共有384个符合设计要求的snp被用于基因分型，其中一部分通过遗传作图进行了验证(见下文)。gydF4y2Ba

基因分型和图谱构建gydF4y2Ba

从每株FgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba植物以及使用修改的CTAB协议的映射亲本[gydF4y2Ba44gydF4y2Ba］．DNA浓度使用定量it PicoGreen试剂盒(Invitrogen)，使用Biotek Synergy 2平板阅读器(Winooski, VT)进行评估。然后使用上述Illumina GoldenGate分析方法在乔治亚基因组学设施的BeadXpress阅读器(Illumina)上对每个样本进行基因分型。使用Illumina genomics estudio软件v2011.1获取等位基因调用。gydF4y2Ba

利用MapMaker 3.0/EXP构建遗传连锁图谱[gydF4y2Ba45gydF4y2Ba，gydF4y2Ba46gydF4y2Ba］．简单地说，使用“group”命令识别初始连锁组(lg)，最小LOD评分为5.0，相邻标记之间的最大重组频率为0.4。初步的地图顺序是使用“比较”命令确定的标记在lg的子集，其余的标记是使用“尝试”命令放置。对于每个LG，使用“ripple”命令确认标记订单，这里显示的最终标记订单代表给定数据下最可能的标记订单。gydF4y2Ba

统计分析和QTL定位gydF4y2Ba

作图群体和作图亲本的直方图和性状均值使用R统计包进行可视化[gydF4y2Ba47gydF4y2Ba］．进一步分析估计的亲本性状值，以检验是否存在显著差异。这是用韦尔奇的方法完成的gydF4y2Bat -gydF4y2Ba或者，当特征分布显著偏离正态性(由夏皮罗-威尔克检验确定)时，使用Wilcoxon符号秩检验。计算各性状的Spearman相关系数gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba使用" hmisc "包映射人口[gydF4y2Ba48gydF4y2Ba]在R中[gydF4y2Ba47gydF4y2Ba］．采用α = 0.05的顺序Bonferroni方法确定显著性[gydF4y2Ba49gydF4y2Ba］．gydF4y2Ba

使用QTL Cartographer v1.17j识别QTL [gydF4y2Ba50gydF4y2Ba，gydF4y2Ba51gydF4y2Ba]遵循既定的方法(例如[gydF4y2Ba7gydF4y2Ba，gydF4y2Ba8gydF4y2Ba，gydF4y2Ba21gydF4y2Ba，gydF4y2Ba24gydF4y2Ba])。简单地说，在ZmapQTL中进行复合区间映射(CIM)，其窗口为10 cM，使用SRmapQTL与向前/向后逐步回归识别最多5个背景辅因子，并以2 cM间隔进行测试。排列的阈值(gydF4y2BaαgydF4y2Ba= 0.05和0.1)，根据每个性状的1000个排列估计QTL显著性[gydF4y2Ba52gydF4y2Ba，gydF4y2Ba53gydF4y2Ba］．除非相邻峰之间有2-LOD下降，否则次要峰不被认为是单独的QTL。gydF4y2Ba

CIM生成的结果被用作多区间映射(MIM)的初始模型，由MIMapQTL实现[gydF4y2Ba54gydF4y2Ba］．该分析用于确认通过CIM识别的QTL。根据作者的建议，将信息判据设为IC(k) = -2(log(L)-kc(n)/2)，其中c(n) = log(n)为惩罚函数，阈值设为0。使用EPISTACY v2在全基因组水平上研究了上位性[gydF4y2Ba55gydF4y2Ba测试所有可能的表现出独特分离模式的共显性标记对之间的相互作用(即，表现出相同分离模式的冗余标记被加入到单个单倍型中，以减少成对比较的数量)。如作者所建议的，显著性通过除以比较错误率(gydF4y2BaαgydF4y2Ba= 0.05)gydF4y2BaggydF4y2Ba（gydF4y2BaggydF4y2Ba1) / 2,gydF4y2BaggydF4y2Ba为红花中LGs的单倍体数(n = 12)。gydF4y2Ba

每个QTL的基因作用方式通过将品种等位基因的显性效应除以其加性效应(d/a)来估计，即完全隐性的品种等位基因的值为-1，完全显性的品种等位基因的值为+1。按照伯克等人所采用的截断线。[gydF4y2Ba7gydF4y2Ba]，各位点等位基因的基因作用方式为:下显性≤-1.25 <隐性≤-0.75 <部分隐性≤-0.25 <加性< 0.25≤部分显性< 0.75≤显性< 1.25≤超显性。此外，如果解释的分离表型方差(PVE)的百分比大于25%，每个QTL的影响幅度被认为是“大”的，如果PVE小于10%，则被认为是“小”的，如果在这些值之间，则被认为是“中等”的。gydF4y2Ba

比较基因组分析gydF4y2Ba

为了识别红花和向日葵基因组之间的同源位点，本研究中定位的所有含有红花snp的est以及10000个向日葵特征共识图中的所有位点[gydF4y2Ba43gydF4y2Ba]通过BLAST与莴苣基因组v4 [gydF4y2Ba56gydF4y2Ba］．如上所述，生菜是Cichorioideae的一员，它位于Carduoideae和Asteroideae之间的中间系统发育位置。使用已测序的莴苣基因组作为中介极大地简化了这些分析，因为它与红花具有相同的倍性水平(尽管功能上是二倍体，但向日葵是一个古多倍体[即相对于红花和莴苣的四倍体]，这是由于在向日葵科的基部有一个古老的全基因组复制;［gydF4y2Ba57gydF4y2Ba)，因为它极大地增加了连接红花和向日葵图谱的基因座的数量(也就是说，几乎所有源自红花和向日葵标记的est都可以与莴苣基因组中的相应序列相匹配)。前两个BLASTN命中的e值大于1x10gydF4y2Ba^6gydF4y2Ba为了便于比较QTL定位，研究人员集中精力在向日葵基因组中包含相关QTL的区域建立基因组间的同源性(见下文)。跨物种的具有三个或更多同源位点(由BLAST确定)的连锁组对被认为是假定的同源(即共线)染色体区域。包含相关向日葵QTL的多个染色体区域与莴苣的一个或多个区域同源的实例被保留下来，以便进一步分析，这可能是由于这些物种的复制历史，以及多个莴苣LGs与一个或多个红花LGs同源的情况。最后，在三个基因组中表现出1:1:1同源性的qtl包含区域也被保留。gydF4y2Ba

然后，我们调查了文献，以确定之前绘制的向日葵驯化性状的QTL，与本研究中所调查的性状同源(附加文件gydF4y2Ba2gydF4y2Ba)．因为许多用于绘制这些QTL的标记都包含在向日葵共识图谱中[gydF4y2Ba43gydF4y2Ba，就有可能将这些QTL的位置投射到该地图上，进行比较QTL制图。对于1-LOD区间的边界不能直接投影到共识映射(由于在1-LOD边界上缺少共享标记)的实例，我们根据相对映射长度估计1-LOD区间内共享标记到边界的距离。为了确定QTL共定位实例仅由偶然引起的概率，我们使用了超几何概率分布函数(“采样不替换”;［gydF4y2Ba58gydF4y2Ba]);如帕特森等人所述[gydF4y2Ba11gydF4y2Ba和帕特森[gydF4y2Ba59gydF4y2Ba)如下:gydF4y2Ba

在哪里gydF4y2BangydF4y2Ba为可比较的区间数(这里估计为基因组大小除以给定性状的平均QTL大小)，gydF4y2Ba米gydF4y2Ba为共定位QTL的数量，gydF4y2BalgydF4y2Ba是大样本中QTL的总数，gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba为某一性状在较小样本中的QTL数量。gydF4y2Ba

表型分析gydF4y2Ba

在分析的24个性状中，当与作图群体一起生长时，有15个性状在作图亲本之间存在显著差异gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)．映射父代表的均值和标准差与FgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba性状分布显示大多数性状存在越进偏析(即FgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba在映射亲本的任一方向上性状值超过一个标准差的个体;数字gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)．海侵分离最极端的例子是与营养生长相关的性状:头状花序高度、圆盘直径、茎高、叶大小和瘦果大小。换句话说，许多FgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba植株及其瘦果均大于任一亲本。gydF4y2Ba

大约四分之一的绘图种群的小花在成熟时变成了深红色。花色比在3:1的分布上无显著差异(χgydF4y2Ba^2gydF4y2Ba= 0.16,gydF4y2BaPgydF4y2Ba= 0.6;数据未显示)。这表明，在定位群体中，花朵颜色的变化是由一个单一基因控制的，变红的能力是隐性的。gydF4y2Ba

许多被研究的性状在FgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba映射人口(附加文件gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba)，在某种程度上与观察到的亲代性状组合基本一致。然而，在Bonferonni修正后，其中一些相关性不再显著。值得注意的是，自交瘦果总数量与瘦果油含量呈正相关(ρ = 0.573，gydF4y2BaPgydF4y2Ba< 0.001)和茎高(ρ = 0.420，gydF4y2BaPgydF4y2Ba< 0.001)，与瘦果尺寸负相关(瘦果重量:ρ = -0.562，gydF4y2BaPgydF4y2Ba< 0.001;瘦果宽度:ρ = -0.558，gydF4y2BaPgydF4y2Ba< 0.001;瘦果长度:ρ = - 0.730，gydF4y2BaPgydF4y2Ba< 0.001)。gydF4y2Ba

基因映射gydF4y2Ba

在为Illumina GoldenGate试验设计的384个snp中，244个表现出可解释的多态性，可用于遗传定位(附加文件gydF4y2Ba4gydF4y2Ba)．其余的140个标记被忽略了，因为在定位群体中的单胚性，过于复杂的分离模式(可能是由于推理)，或检测探针未能与目标DNA杂交。虽然snp通常被标记为共显性标记，但由于在纯合子类和杂合子类之间缺乏明确的区分，本研究中包含的26个snp被标记为显性标记(这些标记在图中用星号标记gydF4y2Ba2gydF4y2Ba)．gydF4y2Ba

244个标记合并成12个LGs，与之前报道的红花单倍体数目n = 12染色体一致(图1)gydF4y2Ba2gydF4y2Ba；［gydF4y2Ba30.gydF4y2Ba])。这些lg的大小从30.7到105.3 cM(平均为71.5)，每组包含6到40个标记(平均为20.3)。泊松拟合优度检验显示，映射标记沿连锁组非随机分布(gydF4y2BaPgydF4y2Ba< 0.0001)。地图的总长度总和为858.2 cM，因此标记间的平均距离为3.7 cM(范围= 0.0-39.6 cM)。gydF4y2Ba

244个标记中有14个的分离模式偏离孟德尔预期(即经过Bonferroni校正后，它们表现出明显的分离扭曲;［gydF4y2Ba60gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba62gydF4y2Ba］．其中11个位点位于两个扭曲区域，跨越13厘米(LG K)和12厘米(LG L;数字gydF4y2Ba2gydF4y2Ba)．扭曲发生在两个方向:在某些情况下，野生等位基因在映射群体中过度代表，而在其他情况下，栽培等位基因过度代表。两个标记均表现为纯合子类的代表性不足，产生杂合子过量。然而，在上述两个扭曲区域内，偏离方向保持一致。LG K上标记的分离始终倾向于野生等位基因，LG L上标记的分离始终倾向于栽培等位基因。此外，LG L (gydF4y2BaPgydF4y2Ba= 0.01)。gydF4y2Ba

QTL定位gydF4y2Ba

在研究的24个性状中，21个性状共鉴定出61个QTLgydF4y2Ba2gydF4y2Ba,图gydF4y2Ba2gydF4y2Ba)．只有LG F缺乏QTL。61个QTL中有8个为边缘显著性QTLgydF4y2BaαgydF4y2Ba= 0.1置换阈值;其余超过gydF4y2BaαgydF4y2Ba= 0.05排列阈值，所有QTL均经MIM鉴定。这些QTL的1-LOD置信区间为13.5 cM，范围为1.5 ~ 31.9 cM。21个性状中，16个性状存在多个QTL(范围为2 ~ 7)。几乎所有的QTL 1- lod区间都与244个标记中的至少1个重叠，唯一的例外是在LG l标记之间映射的%油的QTL，一个性状在同一个LG上有两个拮抗QTL实例(头状花序高度;在LGs A和D上)，其中一个QTL的品种衍生等位基因赋予了一个品种样表型，而另一个QTL的品种衍生等位基因赋予了一个野生样表型。大多数被识别的QTL映射到7个QTL集群中的7个，在7个不同的染色体上，每个集群包含3到12个QTL，泊松拟合优度测试显示，观察到的QTL是非随机分布的(gydF4y2BaPgydF4y2Ba< 0.0001)。此外，本研究中识别的23个QTL映射到7个基因组区域中的3个，显示标记聚类(LGs C, E和H)，并进行了生物拟合优度测试(gydF4y2BaPgydF4y2Ba< 0.0001)表明标记与QTL的分布显著非独立。gydF4y2Ba

所鉴定QTL的PVE范围为4.2% ~ 63.4%gydF4y2Ba2gydF4y2Ba)，大部分QTL效应小(PVE <10%)。中间效应的QTL有13个，大效应的QTL仅有2个(棘度和花色分别为32.7%和63.4%)。对于在亲本之间存在显著差异的性状，可以研究各自的QTL是否在预期的方向上具有等位基因效应(即，该品种的等位基因是否产生了更类似于品种的表型)。对15个亲本中差异显著的性状的44个QTL进行检测，发现9个性状的12个QTL表型方向“错误”。对于其余三个被鉴定为多个QTL的性状，所有QTL的效果与观察到的亲本性状差异一致，即使这些差异并不显著(平均叶大小、棘和节间数量;表格gydF4y2Ba2gydF4y2Ba)．有趣的是，大多数种宽QTL具有具有野生表型的栽培等位基因。每个QTL的基因作用模式在-21.7(平均种子重)到7.3(单株总种子数)之间，但大多数在-1到1.25(平均±S.E.)之间= 0.72±0.40)。显性性状包括花期、总粒数、种子重、种子长、种子宽和种子含油量;劣势QTL包括叶片大小、头状花序数量和种子重。gydF4y2Ba

对上位性的全基因组扫描共检测到19个性状在α < 0.05水平(经多次比较校正后)的105个显著上位性相互作用(附加文件)gydF4y2Ba5gydF4y2Ba)．注意，在同一连锁组上检测到的多个位点之间的相互作用被计算为单个相互作用，考虑到这些位点由于连锁而不独立。并不是所有QTL性状都受上位性位点的影响，有些性状只受上位性位点的影响。有上位性性状的平均互作数为5.5±1.27，每个性状的显著互作数为1 ~ 19个。加对加和和加对显性的相互作用占大多数(分别为40和42种)。通过对EPISTACY结果的进一步研究，我们注意到两个具有QTL × QTL相互作用的性状:叶片形状(LG H × L，加性→加性)和种子长度(LG K × C，加性→显性和显性→显性)。gydF4y2Ba

QTL colocalizationgydF4y2Ba

由于红花中标记的相对较少，因此我们直接识别红花和向日葵之间QTL共定位实例的能力受到一定的限制，因此，图谱之间共享标记的数量有限。然而，莴苣基因组序列在弥合这些图谱之间的差距方面起到了有效的中介作用。我们最终在红花中鉴定出14个QTL，对应于10个不同的驯化相关性状(每个性状1到3个QTL)，这些QTL与之前在向日葵中鉴定的QTL共定位(图gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba额外的文件gydF4y2Ba6gydF4y2Ba；［gydF4y2Ba7gydF4y2Ba，gydF4y2Ba8gydF4y2Ba，gydF4y2Ba22gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba25gydF4y2Ba])。在红花和向日葵的5个性状中，至少有一个莴苣支架(到花天数、花盘直径、自交种子数和瘦果长度和宽度)连接起来，另外两个性状的QTL在所有三个物种中都共享同源基因序列(头数和瘦果重量)。根据家族内基因组复制的历史，我们观察到物种间的许多复制区域，在某些情况下，这些区域包含相关的QTL。4个对应于4个性状(瘦果重、自交种子数、头数和开花天数)的QTL在向日葵中共定位(即这些性状在红花与向日葵QTL比较中存在一对多的关系);额外的文件gydF4y2Ba6gydF4y2Ba；［gydF4y2Ba7gydF4y2Ba，gydF4y2Ba8gydF4y2Ba，gydF4y2Ba24gydF4y2Ba])。有趣的是，我们对开花天数、瘦果长度和自交种子的数量进行了共定位，在这些QTL中，品种等位基因在两个物种中具有相同的表型效应(见图)gydF4y2Ba2gydF4y2Ba而且gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba额外的文件gydF4y2Ba6gydF4y2Ba)，表明这些性状的平行驯化是平行选择压力的结果。gydF4y2Ba

我们看到了油含量% QTL共定位的显著证据(LG I;gydF4y2BaPgydF4y2Ba= 0.001;数字gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba；［gydF4y2Ba23gydF4y2Ba])以及在开花天数内QTL共定位的边缘显著证据(LG I;gydF4y2BaPgydF4y2Ba= 0.08)，瘦果重(LGs C和H;gydF4y2BaPgydF4y2Ba= 0.07)， %亚油酸(LG H;gydF4y2BaPgydF4y2Ba= 0.08)，瘦果宽度(LG C;gydF4y2BaPgydF4y2Ba= 0.09)。其余性状在红花和向日葵之间的QTL共定位的意义不那么显著(gydF4y2BaPgydF4y2Ba-圆盘直径、头数、自交种子数、瘦果长度和油酸百分比的取值范围为0.12 ~ 0.21)。尽管如此，当应用于所有十个有QTL共定位证据的性状时，Fisher的联合概率检验是高度显著的(gydF4y2BaPgydF4y2Ba= 0.0001)，即使排除油含量%的高度显著结果(gydF4y2BaPgydF4y2Ba= 0.004)。gydF4y2Ba

红花驯化的遗传结构gydF4y2Ba

结果表明，红花的驯化相关性状在很大程度上是由小到中等效应的多基因控制的。只有两个性状(花的颜色和刺)具有“主要”QTL(即PVE > 25%)。因此，红花驯化的遗传结构似乎与向日葵相似，这是唯一一种QTL分析显示主要效应QTL如此明显缺乏的作物。gydF4y2Ba7gydF4y2Ba，gydF4y2Ba8gydF4y2Ba，gydF4y2Ba24gydF4y2Ba］．更常见的是，QTL图谱表明驯化相关的性状是由相对较少的具有较大表型效应的位点所制约的(见[gydF4y2Ba63gydF4y2Ba，gydF4y2Ba64gydF4y2Ba])。然而，最近的群体基因组分析显示，在作物驯化和/或改良过程中，通常有更多的基因处于选择状态([gydF4y2Ba65gydF4y2Ba，gydF4y2Ba66gydF4y2Ba];综述了在gydF4y2Ba67gydF4y2Ba，gydF4y2Ba68gydF4y2Ba])。这些发现表明驯化性状的遗传结构很可能是复杂的，即使对于最初基于qtl方法的作物也是如此。gydF4y2Ba

在我们的研究中发现的单个最大的QTL解释了63.4%的花颜色表型变异。此外，我们对花朵颜色3:1分离的观察表明，在我们的定位种群中，红花胺(一种产生红色小花的喹诺查尔酮色素)产生的差异是由于单一位点的影响。早期的红花杂交研究表明，多种基因影响花的颜色[gydF4y2Ba69gydF4y2Ba，gydF4y2Ba70gydF4y2Ba最近的研究表明，至少有两个相互作用的基因来区分橙色和黄色小花[gydF4y2Ba71gydF4y2Ba］．我们只确定了一个QTL的事实表明，在我们的群体中，映射亲本的差异主要是在生产carthamine，而不是其他花色素。更一般地说，对于一种特定的花色素以及叶刺的存在，单一的、大效应QTL的发现与Gottlieb [gydF4y2Ba72gydF4y2Ba他认为，植物的存在/缺失特征和主要的或结构上的差异通常只由一两个基因控制。gydF4y2Ba

地图特征及QTL分布gydF4y2Ba

除14个标记外，其余标记均表现出孟德尔分离比，其中11个标记发生在两个扭曲区域内。虽然造成这种扭曲的原因尚不清楚，但它可能是由于在这些区域的映射亲本之间的基因组差异。因此，值得注意的是，LG K上的畸变区含有与种子相关性状的QTL, LG L上的畸变区含有对棘质的影响较大的QTL，其他QTL包括节间长度、节间数、花盘直径、头状花序高度和叶片形状。gydF4y2Ba

就整体标记分布而言，我们观察到多个lggs中存在大量紧密的簇。这些标记簇可能是基因组中基因分布不均匀(回想一下，本研究中使用的所有snp都是从转录序列中选择的)的副产物，染色体重排可以区分映射亲本，并抑制受影响区域的重组(尽管FgydF4y2Ba_1gydF4y2Ba杂交品种似乎没有受到生育能力下降的影响)，或者——更可能的是——着丝粒内和附近的重组受到抑制。在生成的其他遗传图谱中也有聚类的报道gydF4y2Bac . tinctoriusgydF4y2Ba×gydF4y2Bac . tinctoriusgydF4y2Ba交叉，虽然程度较轻[gydF4y2Ba73gydF4y2Ba，gydF4y2Ba74gydF4y2Ba］．gydF4y2Ba

我们同样在基因组中观察到许多QTL簇。在某些情况下，这些聚类似乎与上述标记聚类同时出现，表明它们可能映射到基因密集区域或重组抑制区域。有人认为，与驯化相关的基因聚集在一起的物种可能天生就更容易被驯化。gydF4y2Ba75gydF4y2Ba］．在此背景下，值得注意的是，驯化相关位点的聚类现象此前已在许多其他作物中得到记录，包括玉米[gydF4y2Ba5gydF4y2Ba，蚕豆[gydF4y2Ba6gydF4y2Ba，珍珠粟[gydF4y2Ba76gydF4y2Ba),辣椒(gydF4y2Ba77gydF4y2Ba和向日葵[gydF4y2Ba7gydF4y2Ba](见[gydF4y2Ba78gydF4y2Ba])。虽然蜂鹰(gydF4y2Ba79gydF4y2Ba]预测驯化基因的连接可以帮助异花授粉作物保持组成驯化综合征的性状复合体，进一步的建模支持了这一预测[gydF4y2Ba80gydF4y2Ba]，实证研究(包括本研究)表明，这些QTL集群也在高度自交作物中发现[gydF4y2Ba6gydF4y2Ba，gydF4y2Ba81gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba83gydF4y2Ba］．然而，也有可能这些作物的异种性比它们看起来的要多，或者在驯化过程中增加的异种性发生在更早的时候，从而有助于“集合驯化综合症”[gydF4y2Ba75gydF4y2Ba］．gydF4y2Ba

超亲分离gydF4y2Ba

一般来说，海侵分离可由互补基因作用、超显性和/或上位性产生。前者，亲本在互补基因上拥有具有相反(即拮抗)效应的等位基因，因此有可能产生具有相同方向效应的过量等位基因的分离后代[gydF4y2Ba84gydF4y2Ba，gydF4y2Ba85gydF4y2Ba]，被认为是造成这一现象的最常见原因(总结于[gydF4y2Ba85gydF4y2Ba，gydF4y2Ba86gydF4y2Ba])。与这一观点一致的是，在我们的群体中，最极端的外溢分离性状(头状花序高度、盘直径、瘦果长度和宽度以及瘦果油含量)受多个QTL(每个性状2 - 7个)的制约，在许多情况下，每个亲本个体携带对这些性状具有积极和消极影响的等位基因的混合。然而，我们也发现了三个表现出海侵分离的性状(总种子、瘦果长度、瘦果宽度和种子重量)的超优势QTL效应的证据。因此，绝对优势和伪绝对优势都不能被忽略。最后，许多相同的性状受到多重遗传相互作用的影响，这表明上位性可能在产生观察到的海侵分离中发挥了作用——尽管上位性的实例肯定不限于表现出海侵分离的性状。gydF4y2Ba

QTL colocalizationgydF4y2Ba

我们观察到的大量QTL共定位实例表明，在红花和向日葵的驯化相关性状的遗传结构中有许多相似之处。虽然还需要进行更多的工作，包括精细定位、位置克隆和功能分析，以确定相同的潜在基因对这些共定位现象负责，但我们的发现与这样的观点一致，即在某些情况下，选择可能在红花和向日葵的独立驯化过程中作用于相同的基因。在其他动植物系统中也观察到了这种平行的基因型进化，包括多种脊椎动物物种的红色和绿色视觉进化[gydF4y2Ba87gydF4y2Ba](见[gydF4y2Ba88gydF4y2Ba)，蝙蝠、海豚和鲸鱼的回声定位能力[gydF4y2Ba89gydF4y2Ba，gydF4y2Ba90gydF4y2Ba](见[gydF4y2Ba88gydF4y2Ba])，玉米和苍耳的除草剂抗性[gydF4y2Ba91gydF4y2Ba](见[gydF4y2Ba92gydF4y2Ba])，以及水稻的粘性表型[gydF4y2Ba93gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba95gydF4y2Ba]，中国糯玉米[gydF4y2Ba96gydF4y2Ba，以及谷子[gydF4y2Ba97gydF4y2Ba](见[gydF4y2Ba64gydF4y2Ba])。展望未来，对平行性状转变基础基因的更好理解将为进化的可重复性提供关键见解，帮助我们更好地预测广泛的作物基因型变化的表型影响。gydF4y2Ba

在这里，我们展示了红花驯化相关性状的复杂性质的数据。因此，我们的工作有助于越来越多的文献表明，作物起源的基因比以前认为的要复杂得多。通过将我们的QTL定位结果与之前对向日葵的研究结果进行比较，我们进一步证明了菊科植物驯化相关性状的遗传结构存在许多明显的相似之处。综上所述，这些结果表明，针对红花和向日葵中某些相同基因的选择可能促成了它们在独立驯化过程中发生的平行性状转变。这项工作也为未来的分析奠定了基础，旨在识别这些农学上重要性状的基因，使进一步测试关于平行表型进化的遗传基础的假设成为可能。这些努力不仅将为进化的可重复性提供关键的见解，而且还将促进红花作为一种油料作物的持续发展。gydF4y2Ba

支持数据的可用性gydF4y2Ba

支持本文结果的数据集可在NCBI dbEST (gydF4y2Bac . tinctoriusgydF4y2Baest序列;gydF4y2Bahttp://www.ncbi.nlm.nih.gov/dbESTgydF4y2Ba) [GenBank:EL372565-EL412381和EL511108-EL511145]，并将在NCBI SRA (gydF4y2Bac . palaestinusgydF4y2Ba454读;注册编号SRR953755)及树精数码资料库(gydF4y2Bac . palaestinusgydF4y2Ba组装;http://dx.doi.org/10.5061/ 783 Q4dryad [NNNN])。gydF4y2Ba

这项工作得到了美国国家科学基金会植物基因组研究计划(DBI-0820451至JMB)对菊科植物基因组计划的资助gydF4y2Baet al。gydF4y2Ba)和NSF博士论文改进补助金(DEB-1110350给JMB和SAP)。我们感谢赵来协助编写454个转录组文库;Yi Zou, Evan Staton, Jeong-Hyeon Choi, Raj Ayaampalayam, Nolan Kane, Sebastian Reyes Chin-Wo和GACRC生物信息学援助;乔治亚基因组学研究所的Roger Nilsen和Myriam Belanger为SNP基因分型提供帮助;梅兰妮·史密斯、迈克·博伊德和杰夫·达迪斯曼，感谢他们在温室里的帮助;Jennifer Wood, David Sanders和Hussein Abdel-Haleem对表现型的帮助;以及Lori Schmidt关于如何在温室里种植红花的建议。最后，我们要感谢伯克实验室的成员们对这份手稿的早期版本提出的建议。gydF4y2Ba

从属关系gydF4y2Ba

1. 乔治亚大学米勒植物科学系，美国乔治亚州雅典30602gydF4y2Ba

   斯蒂芬妮·A·珀尔，约翰·E·鲍尔斯和约翰·M·伯克gydF4y2Ba

2. 基因组中心，加州大学戴维斯分校，加州95616，美国gydF4y2Ba

   Sebastian Reyes-Chin-Wo & Richard W MichelmoregydF4y2Ba

3. 应用遗传技术中心，乔治亚大学，雅典，佐治亚州，30602gydF4y2Ba

   斯蒂芬妮珍珠gydF4y2Ba

相应的作者gydF4y2Ba

对应到gydF4y2Ba约翰M伯克gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

相互竞争的利益gydF4y2Ba

作者声明他们没有竞争利益。gydF4y2Ba

作者的贡献gydF4y2Ba

JMB和SAP构思了这项研究。SAP生成映射种群，生成表型数据，设计基因分型分析，并生成基因型数据。SR-C-W和RWM基因参与了莴苣基因组的测序和组装。SAP、JMB和JEB分析了红花的数据并进行了基因组比较分析。SAP和JMB根据其他作者的意见起草了手稿。所有作者阅读并批准了最终稿件。gydF4y2Ba

开放获取gydF4y2Ba本文由BioMed Central Ltd.授权发布。这是一篇开放获取文章，根据创作共用授权协议(gydF4y2Bahttps://creativecommons.org/licenses/by/2.0gydF4y2Ba)，它允许在任何媒体上不受限制地使用、分发和复制，只要原始作品的名称正确。创作共用公共领域奉献放弃书(gydF4y2Bahttps://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/gydF4y2Ba)除另有说明外，适用于本条提供的资料。gydF4y2Ba

再版和权限gydF4y2Ba