吃货的科研之路|GBS揭示辣椒的遗传多样性和种群结构

每逢寒冬思火锅，怎能没有麻辣锅。

杭州的冬天来得这么猝不及防，又到了呼朋唤友组火锅局的时候了，那肯定少不了麻辣火锅了。看着一锅的辣椒，作为小白不禁对这个物种产生了一点好奇：从北美新发现到现在的全球种植，这是一条怎样的逆袭之路。         

辣椒（Capsicum spp.）茄科、辣椒属，是目前世界上最重要的蔬菜作物之一。辣椒的果实因果皮含有辣椒素而有辣味，能增进食欲。辣椒中维生素C的含量在蔬菜中居第一位，原产墨西哥，明朝末年传入中国。共有 31 种，其中 26 个野生品种和5个栽培品种，分别是一年生辣椒（C. annuum L），中国辣椒（C. chinense Jacq），灌木状辣椒（C. frutescens L），下垂辣椒（C. baccatum L.）和柔毛辣椒（C. pubescens Ruiz）。

尽管有很高的经济价值，但由于基因组异常大并且重复序列比例高，受限于分子研究工具的适应性，辣椒的分子研究一直是落后于其他茄科重要经济作物的，如番茄和土豆。直到GBS技术的横空出世和广泛应用，辣椒本辣的分子研究终于有救啦！

本文通过对5个栽培种和1个野生种共190个辣椒嫩叶样本的GBS测序分析，获得了4083 个有效 SNP位点，通过PCA、DAPC和系统进化分析方法对148个种质资源样本进行遗传多样性和关联分析，阐明西班牙地方品种之间的亲缘关系以及与其他材料的亲缘关系，并评估其分子多样性和种群结构。

1.材料与方法

2.     结果与分析

2.1 基因组比对及变异信息收集

通过对190个样本的简化基因组GBS测序，。剔除42个未获得完整数据的样本，共有148个样本，继续后续分析，包括C. annuum (118)accessions, C. annuum var. glabriusculum (7), C. chinense(12), C. frutescens (2), and C. baccatum (9)）。经过SNP过滤筛选，共得到4083个分布均匀的有效标签继续后续分析。

2.2 种群遗传关系

通过对148个样本的PCA分析，发现整体上可以用分为3个类群：1）118个C. annuum及其4个近缘祖系C. annuum var. glabriusculum（共122个样本）；2）C. baccatum ；3）C. chinense(12), C. frutescens (2) 和剩余的3个近缘祖系C. annuum var. glabriusculum。

通过对第一类群的122个样本进行PCA分析，以采集地区来源进行分组标色后发现：西班牙辣椒与其他欧洲种系聚在一起，而北美种系（墨西哥和美国）则与印度、土耳其、斯里兰卡和部分西班牙种系聚在一起。

2.3 种群遗传结构

为了进一步阐释遗传结构，作者选用贝叶斯算法的DAPC结构分析，在148个样本的分析中获得了7个类群，在上述第一类群的122个样本中获得了5个类群。

通过对Fig3上方7个类群的种系来源分析，作者发现，类群1和4都呈现多种群混合型，前者主要为西班牙种系和3个欧洲种系，后者主要为欧洲种系。可以证实大多数西班牙品种可能源自哥伦布前往美洲以来携带的有限数量的个体，然后散布到欧洲多个国家，通过选择和适应当地条件创造了一系列新的种系。很难区分欧洲种系的另一个原因，可能是在许多国家不同地区采用了相同的商业渠道，通过与当地品种的异花授粉改变了遗传结构。

除了地理来源和果实形状外，辛辣刺激性也是定义辣椒遗传结构的一个重要特征，类群3的种系特征就是刺激性，涵盖了大部分的墨西哥种系和部分西班牙、斯里兰卡和美国的种系。

类群5仅由C. baccatum组成，和PCA的结果一致，存在与其他种系完全不同的遗传引进，可能是由于在隔离的山区种植，减少了种系之间的基因交流而呈现的明显独立驯化特征。

Fig3下方对C. annuum及其4个近缘祖系C. annuum var. glabriusculum的DAPC分析，可以得到基本一致的相似结论。

2.4 种群系统发生关系

作者在进行系统进化关系分析是，仍然对全部148个样本和C. annuum及其4个近缘祖系C. annuum var. glabriusculum共122个样本，分别进行了进化树构建和分析。

与之前的结果呈现一致，C. annuum种系单独形成一个类群，C. chinense 和 C. frutescens 形成了同一个类群，由于种系样本数量太少，不能进行有效论实，但这一现象似乎可以印证这两个种系应属于同一种系。

C. annuum及其4个近缘祖系C. annuum var. glabriusculum种系单独进行的进化树分析，则可以明显的区分为两大类群：北美（墨西哥及美国）种系和西班牙种系。

PCA，DAPC和系统发育分析进化树虽然三者在结果细节上略有差别，但是可以得出共同印证的几个信息：1）C. annuum, C. baccatum,和 C. chinense三个种系互相独立，2）C. frutescens种系可以并入C. chinense类群，3）野生种系C. annuum var. glabriusculum可以区分出2个不同的gene pools。

2.5 类群间的遗传多样性

对148个样本7个类群进行选择清除分析，获得了两两类群之间的Fst值。

类群4和类群7 之间的Fst值最高（0.739），两个类群种系在地理分布上是隔离的。类群5与所有类群的Fst值都很高，则说明该类群是独立驯化的，与其他种系之间基本没有基因交流，并且根据前人报道，该种系很难与其他种系杂交。

2.6 选择性清除分析

作者通过Tajima’s D对每个类群进行性状选择清除分析。对类群1-4的分析中，在1号染色体末端7.5Mb的区间有高Tajima’s D值，说明此区域可能与果实重量，长度和直径以及花梗长度有关；在5号染色体末端可能存在与果实直径相关的区域，大小在6Mb左右；类群2-4的分析中，在6号染色体末端有一段1Mb的区域可能与果实的几个性状有关，例如重量，直径，果皮厚度，长度和形状；

部分种系之间的Tajima’s D值更趋近于自然状态或平衡选择，也与这些种系的生物学状态相关，大部分都是自然环境下露天种植，可以进行有效的交叉授粉。

与前文论述结论一致，C. baccatum（类群5）很少受到正相选择压力，由于独立种植与于南美地区导致与其他种系之间极少发生基因交流，也没有像C. annuum种系一样有完整的系统化的育种体系。

3.结论

本文证实了诸如 GBS 之类的分子鉴定手段在鉴定高信息量 SNPs 中的实用性及其在辣椒种质种质间遗传关系研究中的应用。

作者使用一组 4083 个全基因组单核苷酸多态性（SNP），探索了一系列西班牙地方品种和一些外来种系的遗传多样性，遗传结构和遗传关系，而遗传结构主要由地理起源和果实性状决定。研究也揭示了西班牙地方种的起源，为今后的关联研究和育种计划提供了重要信息，有利于对这些品种的种植和保护工作。

小编点评：本文亮点在于首次使用了简化基因组GBS技术对辣椒的遗传多样性，遗传结构和遗传关系进行了分析。结合地理来源和果实形状，通过PCA分析，DAPC分析和系统发育分析，探索了西班牙地方品种的起源，阐明了美洲新大陆发现后，辣椒由北美-西班牙-欧洲，传播至亚洲的逆袭之路。美中不足是由于部分种系样本个数限制，一些遗传关系无法得到强有力的论证。

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