NC：让美味的梨不硌牙？且看GWAS大显神通 | 群体遗传专题

梨子美味且多汁，古往今来都爱吃。梨子品种繁多，有皇冠梨鸭梨秋月梨雪花梨香梨南果梨苹果梨丰水梨烟台梨啤梨砀山梨酸梨赵州雪花梨金顶谢花酥梨孟津梨高平大黄梨桂花梨翠冠梨化心梨云南高山红雪梨等等等等，但是梨子作为一种多年生木本植物，育种相对来说要比一年生作物要难且耗时。可是如果有合适的基因组学性状信息，育种岂不是事半功倍，新的好吃的梨品种岂不是遍地开花？看到南京农大发表于今年2月的这篇《Nature Communications》梨GWAS研究，口水不禁流下来~

GWAS（genome-wide association study）即全基因组关联分析，在有足够多、遗传差异足够大的自然群体时，是一个非常好的用于性状定位的分析手段，近十五年来，GWAS在包括疾病遗传学、发育生物学、作物育种等诸多领域发挥着巨大的作用。本文即是对这种分析手段有效利用的一个经典范例。

本文对312个沙梨（Pyrus pyrifolia）品系进行了测序，其中231个品系是本地品种（landrace），81个品系是改进的栽培种（improved cultivar）。总测序量产出为2.15Tb数据，经过比对参考基因组、变异检测以及变异过滤之后得到340万个SNP（单核苷酸突变）用于下游研究。（值得注意的是，本研究中使用的参考基因组是白梨Pyrus bretschneideri，数据与参考基因组的平均比对率是73.5%，这在涉及不同品系和品种的重测序研究当中，是一个可以接受的数字。）在系统发育与群体结构的分析当中，显示出选择的梨品系大致区分成两类（中国品系Group I和日韩品系Group II）。

连锁不平衡分析显示改进品种有更高的R平方值，符合品系形成时间；但是地方种和改进种的核苷酸多样性（Pi）差异并不大。使用CLR和Pi进行的选择清除分析发现了桃驯化过程中的两个基因组选择信号，并且通过基因功能发现与石细胞含量、果皮颜色以及果锈覆盖比例有关。

梨的连锁不平衡分析与改良过程选择清除分析

研究者针对梨的11个品质性状进行了GWAS分析，包括果实发育时间、单果重、果皮颜色、石细胞含量、果锈覆盖度等，并且在一个曼哈顿图中将11个性状的40多个候选位点进行了展示。其中与单果重相关的一个候选位点与之前进行的各项研究的结果位于染色体3上一个紧密连锁的区段。其中一个SNP位于一个水苏糖合成酶前体基因上，可能说明了这个基因通过影响淀粉积累从而影响单果重。而果皮颜色的分析中鉴定出了3个位于受选择区域的候选位点，其中包含8个MYB家族转录因子，这个转录因子家族被证实在苹果、草莓、番茄、猕猴桃等果实中调控果皮颜色。

梨11种性状的GWAS分析结果

石细胞是梨果实中的一种常见细胞类型，其产生主要是在梨果实发育的早期。对于梨的品质来说，石细胞的数量与积累强烈影响了梨的可食用部分比例及其口感，所以石细胞的积累是研究者特别关注的性状。GWAS发现了与石细胞积累相关的12个候选位点，包含9条染色体上的35个SNP。其中有一个基因（PbrSTONE）引起了研究者的注意，这个基因有一个保守的结构域，但是没有已经鉴定的生物学功能。研究者通过基因组选择、多物种同源基因进化树、基因共表达网络（来源于转录组数据）对该基因进行了鉴定，使用qPCR验证了该基因在果实发育早期有极高的表达量而在后期和其他器官中表达量较低；梨树中的该基因过表达可以导致石细胞的显著高积累，而敲低该基因则会导致石细胞含量降低；而在拟南芥中构建的稳定表达PbrSTONE基因的转基因品系中，突变体株系显示了较高的木质素积累和较短的根系长度，显示了该基因对木质素代谢的控制作用。除此之外，研究者还进行了其他大量的实验验证，证明了PbrSTONE基因在梨石细胞的木质化过程中起到重要作用。

PbrSTONE基因的表达验证与转基因功能验证

总体来说，本文确实是一篇经典的大规模群体GWAS研究的思路呈现。从最初的品系收集、群体结构分析到与性状相联系的选择清除与GWAS，都是非常经典且行之有效的研究思路。同时在得到了关联结果之后，研究者进行了大量的工作来证明关联得到的基因是如何通过生物学机制来控制品质性状，为进一步的分子机制研究与育种工作打下了坚实的基础。

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