遗传多样性的地理分布Secale长白及野生材料

背景

黑麦、Secale cerealel，在历史上一直是一种非常重要的作物，在欧洲许多地方仍然是一种重要的谷物。栽培黑麦的单个种群已被证明可以捕获物种中存在的大部分遗传多样性，但遗传多样性在亚种和跨地理区域的分布在很大程度上是未知的。本文探讨了黑麦的遗传多样性结构，并将其与野生及野生近缘种的遗传多样性结构进行了联系。

结果

对76份野生黑麦、野生黑麦和栽培黑麦的434个个体进行了567个单核苷酸多态性分析。黑麦的遗传多样性以栽培黑麦最高，野生黑麦略低，野生黑麦显著低美国strictumpresl。和美国africanumStapf。从确定偏差的影响评价表明，多样性的低估主要是在美国strictum和美国africanum．层次的确定偏差，结构和主成分分析都支持提出的分类美国africanum和美国strictum作为一个独立的物种美国cereale。美国afghanicum（vav。）roshev,美国ancestrale朱。,美国dighoricum（vav。）roshev,美国segetale(甲虫)。Roshev和S. VAVILOVII.Grossh。相比之下，似乎和美国cereale它们的遗传聚类更多地依赖于地理来源，而不是分类分类。S. VAVILOVII.被发现是培养黑麦最有可能的野生祖先。在来自欧洲，亚洲和北非的培养的黑麦地体，确定了五个地理上离散的遗传集群。这些只有主要的农业气候区重叠。来自斯堪的纳维亚的Finnmark地区的斜线和燃烧黑麦形成了一个不同的集群，与其他地兰丽斯很少相似。北方和西南欧的区域研究表明，由于种植强度不同，展示了不同的遗传分布模式。

结论

除了美国strictum和美国africanum不同的黑麦类群具有大部分的遗传变异。由于遗传多样性的巨大共享美国cereale分枝，确定偏差在黑麦中似乎比在主要自交种中是一个较小的问题。通过利用加入的多样性，地理结构可以在比以前报道的更细的规模上显示出来。

黑麦（Secale cerealeL.)也能在不利的环境条件下茁壮成长并生产高产量[1，2］.它在旧世界禾秆类谷物中是独一无二的，因为它是一种外繁殖(风异授粉)，因此在作物进化的比较研究中是一个重要的物种。中亚外高加索土耳其,伊朗和被认为是中心的驯化黑麦但仍不清楚路线黑麦之后它被引入欧洲:黑海、里海北部到中欧(从这里到巴尔干半岛)或其他沿线地中海其次是新石器时代的谷物(3.］.黑麦长期以来一直是中欧、北欧和俄罗斯的主要作物，但在欧洲的其他地区，黑麦的种植范围要小得多。在Fennoscandia(芬兰、瑞典、挪威和丹麦)，黑麦在中世纪早期成为主要的粮食作物[4，5］.特别是在芬兰，黑麦是一种主要作物，直到20世纪初，刀耕火种的农业系统才开始实行^th世纪[6］.在20期间^th世纪，欧洲的Rye种植，包括Fennoscandia，下降和全球黑麦产量在2013年是1670万吨，使其仅为24^th大多数生产的作物[http://faostat3.fao.org］.

耕地黑麦是二倍体的年度草。为该属提出了不同的分类学Secale［7- - - - - -10.］.最近的研究使用了分子标记，如rDNA-ITS [11.]，5S-RDNA [12.]，aflps [13.，14.]及ssr [15.，但该属的分类仍然没有定论。栽培的、杂草的、野生的和真正的野生形态之间的关系也难以捉摸[16.］.为了简单，在本文中，我们遵循Sencer和Hawkes [8以栽培的黑麦为种进行分类Secale cereale亚普。cereale．在美国cereale包括一些杂草种类(即:亚普。Segetale，Dighoryum，阿富汗和ancestrale）.这些杂草形式，在这里被称为野生的，以杂草的形式出现在谷物田，主要在近东和中亚，并与种植的黑麦充分互育[17.］.

与栽培黑麦有亲缘关系的野生黑麦包括S. VAVILOVII.（即：美国cereale亚普。vavilovii)，分布于整个亚洲西南部美国strictum，遍及地中海盆地、西南亚、高加索和中亚[8，18.］.尤其是这些野生黑麦S. VAVILOVII.，可以杂交美国cereale［8］.栽培的黑麦是由这两种野生黑麦中的一种驯化的，还是由这两种野生黑麦中的一种驯化的，目前仍存在争议[19.］.在最近的基于形态学的分类学中，Frederiksen和Petersen [10.被认为只有三种:一年生野生植物美国叶；多年生野生美国strictum（＝美国montanum)(亚种stregum.，africanum， 和anatolicum）;和美国cereale，包括种植和杂草黑麦和vavilovii亚种。

在许多作物中，物种遗传多样性的很大一部分可以在未改良的驯化品种中找到，这些品种被称为地方品种。这些可被定义为“具有历史起源、独特身份、缺乏正式作物改良、通常具有遗传多样性、适应当地并与传统农业系统相关联的栽培植物的动态种群”[20.］.由于在特定地点长期种植的结果，地方品种很可能反映了历史起源以及影响作物的选择和适应过程[21］.因此，与精英品种相比，作物地塑料是一种优异的材料，当涉及作物进化过程产生的遗传多样性分布时。全球GeneBanks持有数千个Rye Landrace的加入以及野生和野生形式的种子，保持着一种农艺相关基因和特征的巨大多样性。

通过各种分子标记系统检查了Rye不同分类群中遗传多样性的分布。Persson＆von withmer [22，23使用了同工酶和RAPDS研究了来自北欧的地球产地和品种，但发现没有明确的地理位置或改善地位的结构。Chikmawati等。［13.，14.使用AFLP和世界范围内的栽培、野生和杂草黑麦的收集。在他们的研究中，野生黑麦和杂草黑麦被从栽培黑麦中分离出来，但在栽培黑麦中没有发现地理结构。最近，bolbok - bragoszewska等人[24]利用大规模汇集策略和显性DaRT标记研究了精英品种、地方品种和野生黑麦之间的遗传结构。分类群和繁育状况对遗传结构有一定影响，而地理分布与遗传分布基本无关。上述研究的一个常见观察是在群体内发现的高度变异，而不是在群体之间。因此，要找到地理遗传结构，就需要在标记数量和个体方面具有较高的权力。因此，不幸的是，除了Persson & von Bothmer的研究[22，23在黑麦中尚未探讨入种内多样性。

最近，单核苷酸多态性(SNPs)已成为作物基因组学中首选的分子标记，因为它们在基因组间的频率高，且易于成本效益高的高通量分析[25］.单核苷酸多态性是研究谷物群体结构和进化过程的合适标记，并已应用于水稻研究[26，27]，玉米[28，29)、小麦(30.，31]和大麦[32- - - - - -34］.最近的努力导致了Rye中也开发的SNP面板[35- - - - - -37从而使得地理结构和进化也可以在这种远系作物中进行研究。

我们对东半球驯化植物进化的认识主要是基于自花传粉的具有较长驯化历史的植物(如小麦、水稻、大麦)。本文就以下问题进行了探讨:1)栽培黑麦、野生黑麦和野生黑麦种群内及种群间的遗传多样性是如何分布的?2)种群结构是否证实了黑麦的分类?哪些野生黑麦是被驯化的?3)能否检测出黑麦遗传多样性的地理结构，如果是在哪个尺度上?为此，我们对分布在黑麦地方品种、野生黑麦和野生黑麦基因组中的768个snp进行了基因分型。

植物材料

一个由来自欧洲、摩洛哥、近东、俄罗斯和中亚等广泛地理范围的80份黑麦材料的468株单株组成的小组进行了组装(见表)1；额外的文件1）.加入文件由下列各基因库提供，并注明首字母缩写、加入前缀和国家:美国农业部种质资源信息网络(GRIN, PI, USA)，莱布尼茨研究所für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK, R，德国)，北欧遗传资源中心(NordGen, NGB，瑞典)，Hodowli i Aklimatyzacji研究所Roślin (IHAR, PL，波兰)，国家农学研究所(INRA，苏格兰农业科学与建议(SASA, SASA，苏格兰)。其中一个收录(KENO004)是2012年在“农场”收集的(安妮卡·迈克尔逊，pers)。com)。该小组包括栽培的黑麦地方品种，栽培的精英品种(“帝国”，“昆斯II”和“佩特库斯”)，野生黑麦(美国cereale亚普。afghanicum、ancestrale dighoricum和segetale;从此提到了他们的子特异性分类）和野生ryes（S. strictum，s. africanum，s.vavilovii)(表1和额外的文件1）.缺少关于生长习性(冬季与春季)护照数据的材料在温室中进行试验。未经过春化处理而在两个月内开花和结穗的品种被认为是春季习性，而未开花的品种被认为是冬季习性。使用DNeasy Plant Mini Kit (Qiagen, Hilden, Germany)或E.Z.N.A从每个加入者的6个单株幼叶中提取DNA^®植物DNA试剂盒(Omega Biotek Inc.， Norcross, GA，美国)。

SNP基因分型

基因分型采用瑞典乌普萨拉大学SNP&SEQ技术平台上的Illumina Golden Gate分析。一个由768个snp组成的小组按照服务提供者的协议进行了基因分型。检测的SNPs是从Haseneyer等人开发的一个小组中选择的[36)(附加文件2）.由于当时缺乏图谱信息，SNPs被选择来代表不同的生物学作用，如注释中所述。后来取得的地图资料[38]对于〜100的SNP显示染色体之间的分布。避免了不符合Illumina Golden Gate设计建议的SNP。使用GenomeStudio 2011.1（Illumina）进行分析结果。

叶绿体基因分型结果苏维埃社会主义共和国

利用5个叶绿体SSRs (Wct2、Wct12、Wct13、Wct15、Wct22)对筛选的黑麦植株进行基因分型Lolium和小麦，但适用于黑麦[39，40］.CPSSR标记物的正向引物用两种荧光染料中的任一种标记：在NTNU（Trondheim，挪威）的ABIPrism®3730DNA分析仪上分析了6-FAM或Hex和PCR产物。使用GeneMapper®3.7软件分析色谱图，使用镀键功能进行等位基因。

数据分析

根据分类单元、生物类型(即:野生的、野生的和栽培的)和栽培的地方品种的地理来源。后者是基于Bouma提出的四个农业气候带[41]:海上、地中海、中部和东北地区。在农业气候带分析中排除了Bouma研究区域以外的5种植物。

使用PowerMarker 3.25计算等位基因频率和遗传多样性措施[42]及GenAlEx 6.5 [43］.这些指标包括预期的(哈迪-温伯格平衡)和观察到的杂合度(H_E和H_O)、等位基因数和近交系系数(固定指数，F)。分别计算了每个入户品种和分类群、生物类型和农业气候带内所有入户品种的测量值。为了评价确定偏倚的影响，还计算了长度为2 ~ 5个SNPs的单倍型的遗传多样性。根据地图数据[38将定位位置已知的SNPs合并成由2 ~ 5个相邻SNPs组成的单倍型，用于多样性计算。

两两遗传距离和地理距离_圣使用999个置换来计算不同的群体以及AMOVAS，使用999的禁育进行测试方差分量。为了研究逐距离，我们使用了Genalex 6.5来计算Mantel测试（使用999排列）以进行遗传距离矩阵与栽培黑麦实地的地理距离基质​​之间的相关性。为了评估黑麦种植是否以慢慢的方式蔓延，很少有人迁移到从原始核心区域开始的以前群体的新地区（假设是土耳其[14.，17.]），我们绘制了遗传多样性（H._E)，根据其到起源的距离以及经纬度。

我们的人口结构Secale使用STRUCTURE 2.3.4软件中实现的基于贝叶斯模型的方法对登录面板进行了研究[44］.该程序以值运行K从1到12，有20,000次烧焦和50,000 mcmcs，每个k有10个独立运行，使用具有相关等位基因频率的混合物模型。从ClumpP H'值评估k的最可能值[45),ΔK根据Evanno等人[46)方法。对完整的数据集和加入的子集运行STRUCTURE，以推断在分类组内、在完整数据集分析期间检测到的聚类内以及在地理区域内的结构。R 3.0.2 [47利用主成分判别分析(dacc)对cpSSR标记进行群体结构评价adegenet包(48］.在ArcGIS 10.0 (ESRA)上绘制了黑麦栽培分析的聚类图。

主成分分析(PCA)在R环境下也进行了统计计算，用于完整的登录面板和栽培黑麦的不同亚群。主成分分析的计算是基于每个位点上每个登录的等位基因频率矩阵。来自PCA的数据被进一步用于生成遗传相关性的相对测量，即PC离散度[34］.这种测量方法，用R计算，利用pc空间中属于相同资源的个体之间的平均成对距离。来自所有主要组成部分的信息作为多维坐标包括在内。

比较基于同一种质的多个样本与基于汇集样本的遗传多样性分析的效果在网上把我们的收入集中起来。在在网上汇集我们假设每个单独的Rye提取同样地促进池的基因型评分，如果从每种萃取中加入等于摩尔量的DNA，则是理想情况。然后我们选择了一个特别的截断点0.75，以创建一个解释，反映SNP评分过程，并限制信息的丢失。如果更常见的等位基因频率小于0.75，则每个添加被分配一个杂合子基因型。如果等位基因出现频率高于0.75，则属于纯合子基因型。所得的加入基因型用于上述多样性和结构分析。

基因分型结果成功

我们利用总共768个SNP标记对80份材料中的468个个体进行了基因分型。虽然我们的目标是每次分析6个个体，但在某些情况下，由于DNA质量较低或为96孔板的阳性和阴性对照留出空间，一些样本不得不被排除，只有5个个体对一些样本进行了分析。在768个snp中，有134个无法产生基因分型结果。另外32个标记在超过50%的筛选个体中失败，35个被证明是单形的。在进一步分析之前，将这201个标记全部从数据集中删除。在最初筛查的468人中，有11人对任何标记都不能产生可靠的呼叫，5人有太多缺失的数据点，在进一步分析之前被删除。另外两份资料也被删除，因为其中包含的数据不足四个人。此外,两个美国strictum在对其分类存在疑问(见下文)后，将PI 240285和PI 531829(12个个体)排除在外。在排除标记和个体后，筛选76份434个单株的567个SNPs数据集进行进一步分析。

在最终数据集中434个个体的567个snp中，基因型评分的成功率达到95%。虽然最初是为栽培的黑麦优良品种开发的，SNP小组有效地工作于所有类群，与美国afghanicum和美国segetale缺失数据比例最低(分别为2.73%和3.62%)和野生黑麦美国strictum和美国africanum最高（分别为8.82％和5.76％）。

遗传多样性

大多数双等位基因标记在野生型(平均每个标记有1.974个等位基因)、野生型(平均每个标记有1.993个等位基因)和栽培型(所有标记都有等位基因)以及不同类群(Na见表)中均存在2）.然而，看着野外和野生动物的单数标记比在栽培的栽培中更常见。除了美国africanum次要等位基因频率分布相当均匀(附加文件3.）.总遗传多样性H_E培养的黑麦和野外最低（表2）.H最高的分类单元_E是美国cereale，可能是SNP发现过程中确定偏差的影响(见下文)，随后S. VAVILOVII.和美国segetale。美国strictum和美国africanumH值最低_E(表2）.栽培黑麦地理群之间总遗传多样性的差异非常小。近亲繁殖系数（F）一般低，可以从侧交出物种中预期（表格2）.然而，值得注意的是，一些类群(例如。美国dighoricum）具有比其他系数更高的近距离繁殖系数，可能在该分类群或更高的自我授粉速率范围内表明更有限的Geneflow。同样，在耕地的地理群中，中央和地中海群体的近亲繁殖系数比东北和海事团体（表2）.

种群的平均加入内多样性略低于总多样性，表明大多数多样性是在加入内捕获的，在加入间的分布较小。入职平均差异H_E在比较生物型和分类群（双向Anova，两者）是统计学意义P< 0.001)。不同地区黑麦地方品种间遗传多样性差异显著_E，均较小且不显著(单因素方差分析，P= 0.16)。在网上加入基因型的汇集表明，汇集的个体的基因分型策略一般能捕获到80 - 94%的遗传多样性(见表)2）.不同生物类型间供试材料的近交系系数(F)无显著差异(P= 0.06)，类群(P = 0.54) or geographical regions (P= 0.44)。就单一入盟而言，这两个国家的入盟内部多样性最低美国strictumsPI 401405(0.092)和PI 401399(0.090)的遗传多样性最高的是瑞典长种NGB21083(0.313)和美国segetaleaccession PI 326284(0.314)(附加文件1）.在加入内部_E与地方品种相比，商品性品种没有显著降低(t以及,P= 0.56)。

综上所述，单份黑麦品种的多样性水平较高，且从野生黑麦到野生黑麦再到驯化黑麦品种的多样性水平不断提高。确定偏差可能是不同生物类型之间差异的一个原因。当将标记的次要等位基因频率分布与中性条件下的预期分布进行比较时，从低频等位基因的缺失和高频等位基因的过量可以明显看出确定偏差的存在(附加文件4）.然而，也有野生和野生黑麦，不是用来确定snp的部分材料显示出明显的低频等位基因缺失，表明确定偏差的影响在三种类型的材料之间没有本质上的不同(附加文件4）.为了进一步评估确定偏差对遗传多样性估计的影响，我们将被映射到邻近位置的SNP分为由两到五个相邻的SNP组成的单倍型。将SNP与单倍型合并已被证明可以缓解确定偏差的影响[49］.将snp合并成越来越长的单倍型对不同黑麦类群的相对排序影响不大美国strictum和美国africanum当将snp合并为5-SNP单倍型时，仍然是多样性最低的类群(图2)。1）.随着单倍型长度的增加，不同类群的相对多样性趋于相似。与之相比美国cereale大多数类群表现出有限的这种增长(少于10%阿富汗根，祖先根，双根根，segetale根和S. VAVILOVII.）.美国africanum(12%增长)和美国strictum(28%的增长)，然而，确实显示出明显的多样性增长相对于美国cereale(无花果。1 b）.

使用Amova分析不同征集和生物学中的遗传多样性分布（表格3.）.由于确定偏差可能偏向分子变异的分区[50］美国africanum和美国strictum除amova之外，还被排除在外。AMOVA结果证实，多样性主要在加入中找到。在分类群中，发现了3％的多样性，在类型（野生VS野生vs）中只有1％的多样性以及来自不同农业气候区的培养黑麦，在地区之间发现了1％的多样性。在所有三种类型的分组中发现的大部分多样性表明在不同的过程之间的高谷流动，反映了黑麦的风授粉繁殖。

人口结构

我们通过对完整的最终数据集初始运行structure来调查我们的遗传结构数据。的值∆K和clopp H'表示K =2、3和9是我们黑麦材料中最能描述遗传结构的模型(附加文件5）.从q -矩阵图中可以看到混合物的存在，因为同一加入内的不同个体有时显示属于几个不同的聚类(附加文件)6）.检测到的第一个集群结构(K= 2)是由一些野生动物组成的美国strictum加入加上加入美国africanum(在附加文件中为深绿色6））和含有所有栽培和野黑麦的牧师以及野生黑麦S. VAVILOVII.．这南美-非洲群集仍然完好无损，同时增加K改为12(附加文件6）.在K= 2，我们注意到标记为美国strictum(PI 240285和PI 531829)不聚类美国africanum和其他美国strictum加入，而是与剩下的黑麦。这种观察和检查尖峰形态，而不是表现出禁止的rachis美国strictum［10.]，对他们来说是令人怀疑事实上S. stregum．因此，我们决定将它们从所有与分类地位有关的分析中排除。

在K = 3， 这美国strictum和美国africanum群集保持完整(附加文件6）.另一个集群被一分为二，新的集群主要反映了来自亚洲和欧洲的加入之间的地理划分。美国cerale来自亚洲的地方种族(左美国cereale与原产于同一地区的大部分野生黑麦相似度最高。来自西欧的地方品种也表现出一定程度的聚类，而来自意大利、东欧和北欧的地方品种也表现出较高程度的聚类。

当模型时K =考虑到9，在栽培的黑麦中观察到5个集群(图。2）.这五个集群在很大程度上反映了地理起源。一个聚类主要由北欧的植物组成(图中黄色部分)。2)，第二簇(深蓝色)包括主要来自西部的栽培黑麦，但也有来自瑞士和土耳其的，以及一种新加入的黑麦S. VAVILOVII.来自意大利的第三个星团在中欧盛行(红色星团)。来自巴尔干半岛和亚洲的植物被发现为第四簇(绿松石)。最后一簇(粉色)是来自挪威和瑞典边界的芬恩马尔肯(Finnmarken)地区的两种植物。在低水平K这些人与其他Fennoscandandian和东欧的加入集中。但是，已经在K他们开始与其他芬诺斯坎迪亚黑麦作物分离开来K= 7他们形成了一个不同于所有其他黑麦的群集(附加文件6）.

在K= 9在一些野生黑麦，如S. Ancestrale.和美国afghanicum显示了相当一致的集群，而其他的，如瓦维洛维草和美国segetale显示混合聚类。值得注意的是S. Ancestrale.和美国afghanicum与其他三个类群相比，其起源范围要小得多。例如,S. Ancestrale.加入PI 283971，原点分配给阿尔及利亚聚集在剩下的内容S. Ancestrale.起源于土耳其和土库曼斯坦的附属国。分析的三个品种并没有与地方品种单独聚类，而是在不同的聚类群上分裂，部分反映了它们的地理来源。

为了确定总的聚类和调查在检测到的聚类中的子结构，我们运行结构与不同的子集的加入。当STRUCTURE运行时，排除美国strictum和美国africanum加入剩余加入的人口结构保持在完整的加入中(数据未显示)。仅分析野生和野生材料的支持度最高K= 4(虽然也有高支持K= 2和3)(附加文件5,无花果。2 b）.在这个级别美国africanum和美国strictum分开聚集S. VAVILOVII.还有野生黑麦。其他黑麦品种均聚在一起(图中深蓝色)。2 b)，但其中有一些美国afghanicum和S. Ancestrale.显示的聚类类似于在完整数据集中检测到的聚类K= 9。在完整数据集中观察到的野生黑麦的地理聚类不明显，当其结构不能固定于驯化黑麦的结构时美国cereale．然而，地理位置遥远美国segetaler 1039来自巴基斯坦聚集了一些美国afghanicum(仅在阿富汗增长)而不是与其他国家美国segetale．

当只对栽培的黑麦进行分析时∆K和clapph’值K= 2,K= 5作为具有最高支持的模型(附加文件5）.在K = 5 the main clusters observed agreed with the ones detected for the complete data set atK= 9(无花果。2摄氏度）.检测到的遗传结构具有明显的地理分布，但与Bouma提出的主要农业气候带重叠有限[41(图。3.）.例如，南斯堪的纳维亚地区与东北地区聚集在一起，而不是其农业气候所表明的海洋地区。此外，伊比利亚和北非的加入与其他海区的加入几乎没有聚集。我们注意到，西欧和北非主要属于蓝色集群的植物具有春季生长习性，而北欧属于黄色和粉色集群的植物具有冬季生长习性。其他集群，包括来自中欧和地中海的物种包括春季和冬季类型。

PCA证实了美国africanum和美国strictum在遗传上，野生黑麦和栽培黑麦(Fig.左下象限)都不同。4）.PC1表现出非常明显的区别美国africanum-美国strictum和美国cereale亚种。在群中美国cereale亚种，S. Ancestrale.显示出最清晰的分组，而其他亚种被证明在遗传上更多样化(图。4）.从Rye生长野生的地区培养黑麦加入，往往靠近野生ryes而不是其他培养的黑麦。例如，加入R 272和R 1039（美国segetale)及R 566、R 565及R 777 (美国afghanicum)聚集在PI 220119(来自阿富汗的长白，右上象限)周围。文集R 779 (segetale)源自西班牙及R 1027 (S. VAVILOVII.)与栽培的西班牙地方品种R 2449、R 785和R 780和摩洛哥地方品种PI 525205和PI 525207(右上象限)聚在一起(图1)。4）.仅关注种植的黑麦，在Bouma等人的区域上存在一些农业气候聚类[41，但有明显的重叠和异常值(图。5)，如图结构分析(图。3.）.东北组显然与地中海组和中央组分开，但与海事组重叠。然而，所有加入的海事集团与东北集团聚集有斯堪的纳维亚血统。

我们还计算了PC分散作为衡量个人在PC空间的加入内分散(附加文件1）.一般来说，野生黑麦比野生黑麦和栽培黑麦分散性更小，也就是说更均匀(双向方差分析，P < 0.001) but there was no difference between feral and cultivated ryes. Among taxa,美国strictumPC离散度较低美国cereale加入（P< 0.05)和S. VAVILOVII.的PC离散度高于S. Ancestrale.（P< 0.05),美国cereale（P< 0.01)和美国strictum（P< 0.01)，其余各组间PC离散度无差异。长白星加入组NGB477的PC离散度明显低于其他组美国cereale登记入册。有趣的是,美国africanum与聚集在一起的加入美国strictum在结构分析中没有显示出泄气的PC分散。

从PC色散措施，一些美国cereale入库显示了膨胀的方差。这将我们的注意力吸引到一些基因相同或高度相似的个体，从而减少了这些遗传的可感知的遗传多样性。去除这些个体对两种遗传多样性指标均无显著影响_圣或遗传距离（所有P> 0.05,双尾t以及)。因此，我们得出结论，高度相似或相同的个体的存在对多样性措施的影响可以忽略不计。

成对F_圣计算所有对类群之间的值4）.最高的F_圣观察之间的美国strictum和美国afghanicum(0.298)，之间最低S. VAVILOVII.和美国cereale(0.016)。同一类群的两两遗传距离最高为0.154，最低为0.0174）.不过，需要指出的是，在我们三个S. VAVILOVII.其中两项起源于欧洲。看F的成对加入_圣值范围从0.044内美国cereale比较0.329在比较a美国segetale和一个美国strictum加入(附加文件7）.一般来说，比较包括美国strictum供试材料F值较高_圣值与包括other美国strictum登记入册(附加文件7）.此外，来自Finnmarken的黑麦(NGB13868和NGB14283)的F_圣与其他地区的ryes相比，所有其他换乘的值如何。

为了研究距离隔离，我们比较了栽培黑麦地方品种之间的遗传距离和地理距离。遗传距离与地理距离无相关性(R = 0.179;P = 0.067) (Additional file8）.我们还根据纬度和经度分别绘制了遗传多样性图，以了解是否对新环境的适应或传播过程中的遗传瓶颈导致了种群多样性的减少。遗传多样性与经度无相关关系(R = 0.089;P = 0.273) (Additional file9)，但遗传多样性与纬度呈极显著相关(R = 0.387;P< 0.01)。与我们的预期相反，高纬度地区的长白羊被证明在基因上更多样化10.）.遗传多样性与起源距离无相关性(R = 0.02，P= 0.446)(附加文件11.）.这表明，当种植的黑麦从其起源中心扩散时，多样性并没有丧失。

叶绿体SSR

利用cpSSRs标记研究了群体结构。由于这些标记的非孟德尔遗传，我们采用判别主成分分析(dacc)分析遗传结构，这种分析不需要哈迪-温伯格平衡假设，因此比其他评估群体结构的方法更适合于非核标记。

对cpSSR数据进行dpc分析未发现明显数量的高拟合聚类。整个数据集的DIC值在K≈4和K≈10处有趋于平稳的趋势。然而，k> . 3的聚类变得非常不稳定。dpac聚类不反映生物类型或分类类群，除美国strictum和美国africanum有趣的是，在K水平较高的情况下，NGB13868和NGB14283的Finnmark加入从其余的星系中脱颖而出美国cereale就像SNP标记一样，当研究完整组时，它们经常与the聚在一起美国strictum而不是其他美国cereale(附加文件12.）.在分析只美国cereale入库时，DIC值有一个较弱的平台K= 5，这导致了一个类似于核snp的结构，尽管不那么清晰(附加文件13.）.

栽培强度对比区域的多样性分布

为了比较黑麦种植强度高的地区和黑麦种植面积小得多的地区，我们分析了另外的黑麦亚群。南部亚群包括来自伊比利亚和摩洛哥的7份，北部亚群包括来自Fennoscandia和俄罗斯西部的15份。在南方品种中，结果表明种群是离散的，每一个品种都属于一个独特的聚类，混合很少。七次入会K= 7确实表明是最可能的模型(附加文件5）.这种同源聚类表明了一定程度的生殖隔离(图。二维）.以北方加入为例K= 2是最好的支持模型(附加文件5）.正如预期的那样，一个群集由来自Finnmarken（NGB13868和NGB14283）的先前已识别的个体组成，而所有其他载体形成了第二集群（数据未示出）。删除高度偏离的Finnmarken access，K= 4有最高的支持度(但也有很强的支持度)K= 2)。在这一聚类水平上，一些品种被单独归类为一个聚类(尽管地理结构有限)，但在同一聚类水平上，总体上比南方品种表现出更高的混合程度(图2)。2 e）.

基于每个独立个体的基因型的PCA图进一步说明了加入差异(图2)。6）.在来自同一个国家的南部数据集中，甚至加入在很大程度上被分组（图。6）.在北方的数据集中，两个物种(NGB14297和R 2136)被单独分组，但来自所有国家的其他物种的个体被混合(图2)。6 b）.看看PC空间的分散性，挪威的加入NGB477比其他加入更加同质(附加文件1)，但排除这一加入，北方组的加入个体的PC离散度显著高于南方组的加入个体(未配对)t以及,P< 0.05)。这也反映在平均加入内多样性H_E北方组的比例明显高于南方组(未配对)t以及,P< 0.01)。此外,F_圣北方集团的牧区之间的价值（平均0.067）显着低于南部群体中的登录之间的价值（平均0.090）（未配对t以及,P < < 0.001).

综上所述，来自南方类群的亲本在遗传上相互差异较大，其加入内多样性较低。北方群体包括一些明显区别于其他群体的附属国，但大多数附属国实际上属于同一人口。

池化对人口结构检测的影响

结构检测时，分析在网上总的来说，汇集的数据与分析独立个体数据集时检测到的结构很好地一致。然而，对于池数据集(附加文件)，可以检测结构的详细级别较低14.）.∆K和clpp H'值通常支持较低的聚类级别的池数据比非池数据(附加文件5）.一个值得注意的例外是支持大量集群的北方加入(8个包括Finnmarken加入，7个不包括它们)。但是，上面的集群级别K= 2没有添加生物学相关信息，只导致遗传的血统分裂。在南部组中，无法检测到集合数据集的种群结构(附加文件14.）.一个后果在网上因此，汇集似乎是探测地理结构的一种减弱的能力。

属的遗传多样性Secale

在本研究中，我们证明了为黑麦优良品种开发的SNP标记可以应用于地方品种以及野生和野生黑麦品种。与以往许多黑麦调查不同的是，我们也评估了黑麦群体内的遗传多样性和结构。最显著的结果之一是在黑麦品种中发现的多样性的广泛分布。AMOVA分析表明，绝大多数遗传多样性存在于供种内，而在类群、类型或地理区域内，只有少量的额外多样性存在。从遗传多样性的角度来看，在合理有限的区域内保护黑麦品种可能与在广阔的地理范围内保护额外的分类单元或地方品种一样有效，至少在考虑北方品种时是这样。黑麦的异花传粉繁殖习惯很可能在其中起了作用。

然而，我们关于不同类群遗传多样性的研究结果必须谨慎解释。在我们的小组中，栽培黑麦的遗传多样性高于野生黑麦和野生黑麦美国strictum入学率的多样性最低2）.这与野生或野生动物的遗传多样性更高的遗传多样性相反，不受驯化瓶颈的影响，并且在许多其他物种中观察到[例如51- - - - - -53］.这种意想不到的差异可能是由于确定偏差，因为SNP面板最初是为栽培黑麦的精英品种开发的。在比较具有不同改良状态的材料时，确定偏差的强烈影响已经在以前的大麦和小麦中注意到[31，54，55］.

我们确实认为我们的材料中存在确定偏差，但对不同类群的影响并不大。首先，黑麦等异交作物较高的基因流量降低了确定偏差的影响，因为遗传多样性的结构更少，在类群内部和类群之间的分布更均匀(图2)。2）.其次，我们注意到几乎所有的标记都能检测到多样性，并且在所有类群中，单形标记所占的比例都很低美国africanum和美国strictum．第三，小等位基因的频率分布在不同的地位群体中是相似的4）表明确定偏置对不同状态组具有相当的影响。此外，已显示将SNP合并到单倍型中，以减轻当前时确定偏差的影响[49］.对大多数类群来说，snp与单倍型的合并对多样性的相对差异影响不大。只有美国africanum和美国strictum当SNPs合并成长度增加的单倍型时，其多样性相对增加(图2)。1）.基于此，我们认为，确定偏差主要是一个问题，在案件美国africanum和美国strictum．研究还发现，使用较少的偏倚标记(如aflp)，栽培黑麦比野生黑麦具有更高的多样性[14.]、SSRs [15.]及issr [56] ．这表明，至少在野生黑麦中检测到的有限多样性主要不是由于确定偏差，而是野生遗传多样性在基因库收集中可能表现得很差。

加入内多样性测度在很大程度上反映了总多样性测度，H较低_E在野外和野生的分类群中。异常是狂野的S. VAVILOVII.，入户平均为H_E与栽培相同美国cereale而且明显高于野生类群。栽培品种间多样性水平基本一致，不同农业气候区间差异不显著。有点奇怪,H_E商品品种的产量不低于地方品种。然而，Persson & von Bothmer也做了类似的观察[22]使用同工学标记。这与近亲繁殖的作物相反，其中实地定期在加入内部多样化程度远远高于商业品种[57］.NGB13868的加入具有明显的低H_E．已知这种加入源于几种种子，这解释了其降低的多样性[58］.

作为加入内多样性的另一种测量方法，我们研究了PC分散。基因相似的个体配对将在PC空间几何上接近。比较不同品种间的PC离散度，可以衡量相对多样性的差异。加入的成对距离的方差进一步揭示了引起PC离散的距离是否随机分布。PC的离散均值与H的相关性最大_E,但不一定如此。例如，加入NGB477，具有高H._E而缩小PC离散意味着。这意味着，虽然加入包含很多的多样性，所有的个体是相对相似的彼此。一些入盟的个体由于入盟中两个或两个以上的个体高度相似而导致PC离散方差增大。如果两个个体的相似性增加，那么来自同一耳朵的兄弟姐妹的起源是可以预期的，在基因库中保持较低的种群规模并非不可能。然而，高度相似或完全相同的个体可以被认为是来自同一个胚胎的克隆。一种解释可能是多胚种子的存在[59]，产生几次射击，意外地被捕捉为不同的个体。重新分析我们的数据，随着高度相似的单独的拆除，表明它们对遗传多样性和结构的影响是所有非显着的。

洞察Secale分类

属内的分类学分类Secale难以捉摸。然而，最近的分子研究与三种模型同意西尔维斯特，斯特里克特和美国secale[15,16,56，但对比度12）。这种分类学分类也与Frederiksen和Petersen的[10.morphology-based分类法。不过，我们的数据支持这种分类美国叶没有包括在研究中。我们还找到有时建议的物种的支持美国africanum和S. VAVILOVII.(见如。11.其中参考其中）作为亚种美国strictum和美国secale分别。在这项研究中美国africanum加入群集结构和PCA与真实美国strictum登记入册。遗传距离较低(0.051)和F_圣值(0.133)之间美国africanum和s . strictum小于任何其他分类群，加强了密切的关系。虽然只发现了南非美国africanum是与其余的互育吗Secale分类单元(60］．之间的距离美国africanum和美国strictum加入强化了这样的假设，即奇怪的位置s . africanum远离其他的分布Secale黑麦及其杂草是由欧洲殖民者引入南非的，而不是原来更大的分布区域的残余Secale［10.］.

S. VAVILOVII.植物完全破碎，耳朵自动脱落，可以被认为是野生亚种，而不仅仅是杂草或野生类型[17.］.尽管如此,S. VAVILOVII.与栽培紧密连成簇美国cereale在结构分析和主成分分析(图。2,无花果。4额外的文件6的亚种美国cereale。F低_圣和遗传距离燕麦和瓦维洛瓦（分别为0.016和0.017）证明其相关性和低遗传分化（表4）.栽培的黑麦被认为是从其中任何一种衍生而来的美国strictum（PERSL。）[=美国montanum连。］or fromS. VAVILOVII.在土耳其东部和亚美尼亚[17.，61］.我们的结果证实了之前的研究[11.，15.]表明S. VAVILOVII.很可能是栽培黑麦的野生祖先。

的分类美国secale亚种已经不确定，特别是野生和培养的黑麦形式的关系[7- - - - - -9］.我们的分析支持栽培黑麦与野生黑麦为同一种，并且这些类群在一定程度上进行了杂交。尽管野生黑麦与栽培黑麦和野生黑麦都存在一定程度的遗传差异，与Chikmawati等人一致[14.，地理起源对种群结构的影响大于分类亚种的影响。在我们的数据集中，同一地区的野生黑麦与栽培黑麦的相似性大于不同地区的地方黑麦与栽培黑麦的相似性。例如,美国afghanicum登录r777有一个非常低的F_圣（0.096）来自阿富汗地兰PI 220119;西班牙人美国segetaler779有一个最低的成对F_圣(0.087)与西班牙长白R 785(附加文件7），比较R 779与其他值低的值美国segetale登记入册。潜在的标签错误的加入美国strictum(PI 240285)在护照数据中描述为美国strictum亚普。anatolicum），来自土耳其和集群以及来自土耳其，阿富汗和巴基斯坦的野生和培养的黑麦，来自同一地区的一个栽培黑麦（图中的绿松石）。2）.PCA中描绘了一个类似的模式，尽管一些野生物种的遗传差异足以组成它们自己的集群，但大多数野生物种与来自相同地区的栽培地方物种聚集在一起(例如美国segetale从西班牙,S. Ancestrale.来自土耳其或美国afghanicum来自阿富汗)，而不是同一分类单元的附属物。

野生黑麦表型已被描述为形态上与栽培黑麦祖先迅速分化，特别是如果一个地区的黑麦种植停止繁殖分离野生型和栽培型[62］.在这项研究中，我们可以看到野生黑麦是如何与两者共享某些等位基因的S. VAVILOVII.和美国cereale长白猪登记入册。这些结果提示了一个复杂的情景，在黑麦之间的高渗入美国麦片-瓦维洛瓦小组，但没有可检测的贡献非洲南部团体。

栽培黑麦遗传多样性的地理结构

以往对栽培黑麦遗传多样性分布的研究大多未能找到明确的地理分布模式[13.，14.，22，23，63］.bolbok - bragoszewska等人[24发现近东黑麦和欧洲黑麦有分离，但在欧洲没有地理上的聚集。AMOVA分析表明，区域间的变异程度非常低，这表明需要大量的标记来识别地理结构。然而，这里使用的SNP小组，结合来自每个附加的多个个体的基因分型，似乎足以在地理上聚集欧洲地方种族(图。2摄氏度和3.）.同样清楚的是，尽管80%或更多的遗传多样性可以在合并样本中得到解释，但在基因分型之前合并样本会降低对地理结构的检测能力。我们始终能够检测到更高级别的聚类使用我们的非池数据集比我们的在网上集中的数据。这支持了计算机模拟的结果[64］.

所检测到的五大黑麦品种在一定程度上反映了欧洲的农业气候带(如Bouma [41])。然而，沿着大西洋海岸，从北部的苏格兰到南部的摩洛哥的一组明显的资源代表了气候相当不同的地区(图中的蓝色部分)。3.）.同样地，来自斯堪的纳维亚、芬兰和俄罗斯的一组物种也跨越了农业气候带(图中黄色部分)。3.）.因此，遗传多样性的地理分布不仅是由农业气候适宜性形成的，而且是通过花粉传播和种子交换在文化联系更密切的地区形成的。

最小的星系团，由一个挪威人和一个瑞典人组成，都来自芬兰马克地区，在地理上是最当地的群体。这些材料中的大多数个体也共享相同的，并且在栽培黑麦中独特的，叶绿体基因型。Persson等人以前曾注意到来自该地区的大部分斯堪的纳维亚黑麦的地方黑麦的特殊性[23］.这个地区种植的黑麦与历史上的人口迁移有着密切的联系。挪威和瑞典的这个地区被称为Finnmarken地区，这是芬兰农民在16年离开祖国后定居的地区^th世纪。众所周知，芬兰移民实践了这一领域黑麦的斜线和燃烧培养，并从他们的原生区域带来了种子[6］.新加入的NGB13868还有一个当地名称“芬兰黑麦”，意思是芬兰黑麦。用于刀耕火种栽培的黑麦通常具有极端的分蘖能力，这一特性也在“Finn-rug”期刊上观察到[58］.然而，我们无法检测到芬兰黑麦和本研究中包含的任何芬兰品种之间的任何显著聚类。然而，值得注意的是，我们的研究还包括其他斯堪的纳维亚黑麦地方品种，护照数据将它们描述为刀耕火种[23］.这些种质在遗传上不与来自芬兰马克的种质聚类，而是与其他旨在普通农田栽培的北欧种质聚类。一种假设是，来自孤立地区Finnmarken的黑麦品种代表了一种较老的刀耕火种黑麦，而Fennoscandia的其他刀耕火种黑麦地方品种已经与更丰富的黑麦品种进行了异交和混合。

所检测到的种群结构表明，欧洲黑麦地方品种可能起源于不同的地方。根据K= 9结构模型(图。2），包括大多数斯堪的纳维亚和俄罗斯进出的黄色集群也包含一些多样性的一部分S. VAVILOVII.还有来自阿富汗的野生动物美国segetale和美国afghanicum来自同一个国家。在全球和Landrace Ryes，MA等，[63]发现北欧的黑麦品种(斯堪的纳维亚和德国)聚在一起，其中也包括来自阿富汗的一个地方品种。传入俄罗斯和北欧的黑麦可能起源于阿富汗周边地区，并通过里海和黑海以北的路线传入，而欧洲南部的黑麦可能起源于土耳其地区。或者，黑麦可能起源于近东的一个核心地区，在传播到欧洲之后，经历了瓶颈和不同的选择压力，导致对不同地区的适应。这种种群动态也可以产生在栽培黑麦中观察到的明显的簇。因此，遗传结构和农业气候区域之间有很强的相关性是可以预期的。我们观察到来自更多北纬地区的地方种族的遗传多样性在增加10.）.尽管有必要适应与原产地区的气候不同的气候，但北方的黑麦植物培养，因为靠近原产地的黑麦栽培多样化。可能是北方北部更强烈的黑麦种植，直到近期有助于维持体重体的多样性。

黑麦在欧洲适应过程中的一个显著特征是选择冬播黑麦而不是春播黑麦，欧洲南部和西部的黑麦主要是春播(或兼播)型，北欧的黑麦是冬播型。Ma et al. [63]发现冬季与春季习惯在42个精英品种的小组中产生了两个非常独特的林。比较地，在他们对瑞典历史和基因库的分析中，Hagenblad等人。［65]没有观察到冬季和春季类型的黑麦之间的任何分离。在这项研究中，PCA沿着1的冬季品种分离出来的春季^圣PC虽然有些重叠被观察到(附加文件15.）.可能在欧洲的不同地区，种植春黑麦或冬黑麦的选择反映了当地的气候特点和农艺实践，导致了随着时间的推移的轻微遗传差异。我们还注意到，中欧和东南欧的结构群包含春季和冬季的形式。

三种现代品种的结构分配反映了他们的繁殖历史。NGB 6431'Kungs II'聚集在北欧的地形中。这种品种是瑞典的瑞典，来自德国北部的地位，可能与瑞典地球群有授粉。Pi428373'Petkus'Spring Rye，聚集在西欧的其他春天黑麦地形。PI 323382'帝国'聚集在中欧中部的地位。“帝国”是一种从兰德斯的“Schlanstedt”选定的美国品种，来自德国中部。

线粒体和叶绿体标记被用来对比母本传播(通过种子)和双亲本传播(通过种子和花粉)。在黑麦中，一些研究发现叶绿体完全由母体传播[66，67］;而其他人则报告双亲本遗传[68- - - - - -70])。在黑麦中，利用cpSSR检测到的结构可能被认为反映了种子的传播和一定程度上的花粉运动。结合细胞核和叶绿体标记的研究有时提供关于物种进化故事的类似信息，但可能提供相反的情况，例如在水稻中[71]，苔属植物［72)、杏仁(73),拟南芥［74］.我们仔细分析了CPSSRS的所有电动影像图。然而，检测到的一些等位基因仅不同的单个基对和由PCR扩增产生的误差不能排出。因此，必须小心地考虑基于几个标记和DAPC聚类的CPSSR数据。然而，该结构可以为由SNP标记确定的结构提供额外的支持。除了美国strictum和africanum，我们没有观察到分类学上的聚类，再次支持将所有野生类群包括在内，S. VAVILOVII.并种植相同品种的黑麦。在栽培的地方品种中，来自西欧、北欧和东南欧的品种形成了3个群体，表明这些地区存在种子交换，支持核SNP地理格局。NGB13868的所有个体和NGB14283的一半个体具有明显的cp基因型，这在栽培黑麦中是不存在的。这表明这些地方种族的起源是外来的，但不为人知。利用cpSSR标记或全套SNP标记筛选更多的地方品种，特别是来自芬兰偏远地区的地方品种，可以揭示这些黑麦的起源以及可能与16个地区芬兰移民的关系^th世纪。

区域间遗传结构的对比反映了过去的栽培强度

我们的结果表明，培养实践如何影响遗传多样性如何在地区分配。使用两个对比的换人组在区域一级调查地理结构。南部集团由伊比利亚和摩洛哥的春季Rye组成，都属于相同的结构组（图3中的蓝色）。3.）.北方组由来自Fennoscandia和俄罗斯西部的冬季型黑麦组成，属于黄色结构组。我们从PCA, F_圣和PC离散分析表明，南方群体的遗传多样性比北方群体的大多数遗传多样性更明显。6；额外的文件1和额外的文件3.）.

一种独特的地方品种聚类表明，不同品种之间的基因流动更有限。在伊比利亚和摩洛哥，黑麦只在山区作为一种小作物种植[75，76］.相比之下，在Fennoscandia黑麦是占主导地位的粮食作物从16^th直到20世纪中期^th世纪[5]，这将允许种群之间更频繁的基因流动。从我们的数据来看，如果北部集团的更高基因流是由于更多种子交换，更多的花粉分散或两者都是如此。不幸的是，来自有限数量的母体遗传遗传标记的功率不足以检测该区域内的花粉和种子分散的不同模式。近亲繁殖作物中兰德动力学的研究[57]和米[77然而，我们确实知道，由于距离的隔离或栽培强度的降低会迅速导致种群之间的遗传漂变和分化。这些过程在异花授粉作物中可能较慢，但同样的趋势可以在南方组中看到，也可以预期在其他黑麦种植减少的地区。

为本文产生的SNP和Chloroplast SSR基因分型数据可在Dryad数据存档（HTTPS://datadryad.org/resource/doi：10.5061 / dryad.tn2fb）.

这项工作是由拉格斯伯格基金会资助的。HRO由Lagersberg基金会、Sven och Lawskis Fond för Naturvetenskaplig Forskning和“基因组与进化生物学”项目(由北葡萄牙区域业务计划2007/2013 (ON.2 - O Novo Norte)共同资助)在国家战略参考框架(NSRF)下资助。通过欧洲区域发展基金(ERDF)。Per Larsson和Maria Lundström分别因统计和技术援助而获奖。

作者笔记

1. 雨果·r·奥利维拉

   现住址:现住址:曼彻斯特大学生命科学学院。曼彻斯特生物技术研究所，131公主街M1 7DN，英国曼彻斯特

从属关系

1. IFM生物学，Linköping大学，SE-581 83, Linköping，瑞典

   Jenny Hagenblad, Hugo R. Oliveira, Nils E. G. Forsberg & Matti W. Leino

2. cibio生物多样性和遗传资源研究中心Agrário de Vairão。R. Padre Armando Quintas, 4485-661, Vairão，葡萄牙

   雨果·r·奥利维拉

3. Nordiska Museet，瑞典文化历史博物馆，SE-643 98，瑞典Julita

   Hugo R. Oliveira & Matti W. Leino

通讯作者

对应于雨果·r·奥利维拉．

利益争夺

作者声明没有利益冲突。

作者的贡献

HRO, JH和MWL设计了该项目。实验室工作由人力资源经理负责。数据采用HRO、JH和NEGF进行分析。HRO, JH和MWL在nef的贡献下撰写了手稿。所有作者都已阅读并批准了手稿的最终版本。

珍妮·哈根布莱德和雨果·r·奥利韦拉对这项工作做出了同样的贡献。

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