简化基因组测序技术带您玩转群体遗传研究

前言

简化基因组测序技术应用方向之群体分析

群体遗传学是研究群体的遗传结构及其变化规律的学科，其研究对象是自然群体，一般是某一物种不同的群体（如不同品种、不同地域等作划分），早期的研究方法主要是使用SSR标记或某个基因（如COI）。高通量测序技术的飞速发展促进了群体遗传学的研究，目前主流的方法是基于简化基因组测序从全基因组范围开发大量SNP标记，进而开展群体遗传进化、系统发育、种质资源鉴定、分子标记开发、DNA指纹图谱构建等基因组学热点分析内容。目前简化基因组技术在群体分析中已经得到广泛应用，其不受基因组的限制，能够降低基因组的复杂度，数据量低，操作简便，节约成本，特别适合大样本量的研究。

案例·1

橙腹田鼠社会认知行为的复杂选择研究

研究背景

社会行为的适应性变化依赖于长期的遗传变化，但是进化动力如何塑造与大脑和行为相关的遗传多样性却知之甚少。橙腹田鼠是一夫一妻制的啮齿动物，但在领土行为、空间使用和性忠诚方面却表现出相当大的个体差异。四个位于Avpr1a（编码血管加压素受体的基因）顺式调控元件的SNP能够预测血管加压素受体蛋白（V1aR）表达量的变化，V1aR位于橙腹田鼠丘脑的压后皮层（retrosplenial cortex, RSC），该区域调控空间和记忆；V1aR的表达量高低能预测橙腹田鼠的空间记忆能力和对配偶的忠贞度。本研究通过检测Avpr1a 基因座和整个基因组的多态性，以更全面地描述选择对基因座持续变异的影响，加深我们对选择压力如何形成社会行为及其神经基质的重要调节器的理解。

研究内容

首先选择2个橙腹田鼠群体，共61个个体克隆获得Avpr1a 全长，然后构建Avpr1a 单倍型和单倍型网络，通过频率变化证明Avpr1a 多样性是平衡选择的结果。随后进行连锁不平衡（LD）、核苷酸多样性（π）和重组率（rho）分析，研究连锁不平衡区域是否位于Avpr1a 的调控区。最后，采用2b-RAD技术对61个个体进行SNP分型、群体结构和群体分化分析，从整个基因组层面验证Avpr1a 在2个橙腹田鼠群体中频率不同是受选择支持的。

研究思路

Avpr1a 基因座的多样性（π）、重组率（rho）和连锁不平衡分析（LD, R2）

研究结果

与基因组频谱相比，Avpr1a 有过多的中频等位基因，表明Avpr1a 的多样性是通过平衡选择积极维持Avpr1a 等位基因。
Avpr1a 的平均核苷酸多样性(πAvpr1a = 0.004)显著高于基因组平均核苷酸多样性（π = 0.0012）。连锁不平衡分析发现在核苷酸多样性和LD出现峰值的区域位于增强子，这是另一个平衡选择的经典标志。
四个预测V1aR在RSC高表达的SNP的连锁不平衡性比预期的要强，表明上位选择维持了它们之间的联系。
两个橙腹田鼠群体的群落结构和单倍型网络分析表明，这种异常的LD不太可能仅仅是由混合造成的。此外，尽管全基因组范围内的遗传分化水平极低，但这两个群体在该区域对V1aR表达的调控仍存在很大差异。
在AVPR1a基因座上进行复杂的选择有利于产生特定组合的SNP，使产生的等位基因保持在群体特定的频率，并可能有助于群体间独特的空间认知和性忠诚。

参考文献

Berrio A, Guerrero RF, Aglyamova GV, et al. Complex selection on a regulator of social cognition: Evidence of balancing selection, regulatory interactions and population differentiation in the prairie vole Avpr1a locus. Molecular Ecology 2018; 27(2): 419-431. (IF: 6.086)

案例·2

宿主珊瑚和共生藻类在珊瑚种群维持中的作用

研究背景

当海洋温度上升时，给珊瑚带来明亮色彩的藻类离开宿主，使其看起来是白色的，这种情况被称为“珊瑚白化”。藻类为珊瑚提供了大量的能量，由于藻类的减少，珊瑚很容易受到饥饿和疾病的威胁。佛罗里达群岛的珊瑚礁也遭受到白化，例外的是佛罗里达群岛的近海珊瑚礁覆盖率相对较高，推测原因是近海珊瑚对高温和白化的抵抗力和/或恢复力强。对此，提出了两种机制，即珊瑚和/或共生体适应高温和温度变化的适应，以及压力减轻的环境因素（低光和高pH）的适应。本研究针对上述可能的机制进行研究。

研究内容

在2014和2015年珊瑚白化、以及2016年珊瑚恢复期间，从佛罗里达群岛的上群岛和下群岛，10个近海和海边共采集了179个多山星珊瑚组织样本，采用2b-RAD进行珊瑚分型、鉴定珊瑚克隆、遗传结构；定量PCR分析共生体的类型和丰度。另外，记录采样点的温度、光照、pH等环境条件。基于上述数据，研究与多山星珊瑚白化抗性相关的关键环境和生物因素。

研究思路

珊瑚克隆结构、共生藻丰度（共生藻的2b-RAD reads/宿主珊瑚的2b-RAD reads）和耐热藻Durusdinium trenchii 在共生藻中的比例

研究结果

基于2b-RAD技术对多山星珊瑚进行分型，另外，通过结合共生藻的转录组数据，确定珊瑚共生藻的种类和丰度。
尽管近海温度高于海边温度，但近海地区的多山星珊瑚表现出明显更高的白化抗性和更好的恢复率。
只有16.2%的多山星珊瑚有一种共生藻类，大多数多山星珊瑚有两种、三种或四种共生藻类。其中，耐热藻Durusdinium trenchii在白化和恢复期间都是占主导地位的共生藻。
虽然所测的环境参数均与白化无关，但71%的抗白化变异和73%的D. trenchii 丰度变化都可归因于基株（genets）间的差异，表明遗传学在珊瑚白化过程中起主导作用。
在以前的研究中，即使在白化期间， D. trenchii 也很少在佛罗里达群岛的多山星珊瑚中占主导地位。本研究发现该地区D. trenchii 比例高，很可能是由于佛罗里达群岛有记录以来最热的两年（2014年和2015年）多山星珊瑚反复白化造成的。
多山星珊瑚在佛罗里达群岛上群岛的近海是最多的，具有最高的抗白化能力，并且大多数珊瑚是D. trenchii 占主导地位，这说明耐热性和伴随全球变化的生态系统复原能力之间存在因果关系。

参考文献

Manzello DP, Matz MV, Enochs IC, et al. Role of host genetics and heat-tolerant algal symbionts in sustaining populations of the endangered coral Orbicella faveolata in the Florida Keys with ocean warming. Globle Change Biology 2019, 25(3): 1016-1031. (IF: 8.997)

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