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动植物驯化过程中的拷贝数变异


    当人们在寻找重要性状相关基因和突变时,似乎总热衷于鉴定相关SNPs,而容易忽略另外一种重要的遗传变异--拷贝数变异(CNV)。今天介绍的这篇文章,就系统的回顾了CNV是如何促进动植物的驯化过程,并总结了由CNV导致的驯化性状的例子,以此来阐明CNV在驯化过程中的作用。


Copy Number Variation in Domestication
题目: 驯化中的拷贝数变异(综述)
发表杂志:Trends in Plant Science 影响因子:12.149  发表日期:2019-4

CNV定义及形成机制
    CNV是物种内个体基因组各个部分的拷贝数多态性,包括DNA序列的缺失、复制或扩增,长度通常为大于1 kb。
    CNV的形成机制有多种,主要包括:1) 非等位同源重组(Nonallelic homologous recombination,NAHR),这是基于同源的DNA修复或减数分裂过程中异常同源识别的结果(图1A)。2) 单链退火(Single-strand annealing,SSA),这是一种双链断裂修复过程,其中断裂端通过长度大于30 bp的同源物退火连接,这可能导致显著的DNA缺失(图1B)。3) 转座子切除(Transposon excision),该过程通过转座子的切除造成DNA片段移动或删除,导致拷贝数的变化(图1C)。4) 逆转录基因(Retrogenes),这些反向转录基因插入基因组后,可能形成新功能或嵌合基因(图1D)。此外,多倍体化后亚基因组后续DNA的缺失,微同源性介导的断裂诱导复制(Microhomology-mediated break-induced replication,MMBIR)等,都会导致拷贝数的变化。
 

 
 
图1、CNV形成的机制

CNV检测方法
    阵列比较基因组杂交(Array comparative genome hybridization,aCGH)是基于与覆盖整个基因组的平铺探针微阵列杂交的测试样品和参考样品的荧光信号的比较。aCGH在检测缺失比复制更准确。SNP芯片也可以通过比较样品间的探针的强度差别,用于CNV的检测。
    基于下一代测序(Next-generation sequencing,NGS)的方法分为三大类:Read-depth (RD)、Read-pair (RP)和Split-read (SR)。RD方法通过比较与参考基因组比对的reads深度来检测CNVs。RP方法是应该比对到一个与大约相同距read-pairs离的参考序列上。如果read-pairs比对的距离比预期的更远,则检测到删除;如果它们靠得太近,则会检测到插入。SR方法使用paired-end reads,并通过异常定位到参考基因组来检测CNV。全外显子组测序数据也可以利用RD方法来发现CNV。每种检测方法都有不同的误差。RP方法在重复区域不太有效,其精度取决于插入片段的尺寸。SR方法偏向于检测较小的CNVs。RD方法通常具有较高的假阳性率,并倾向于检测大变异。这些方法的有效性还取决于样本reads深度。由于这些原因,利用NGS数据进行CNV的研究通常要结合多种计算方法来减小假阳性。
    CNV的发现似乎没有明确的标准方法。大部分的CNV发现方法都是为人类开发的,在家养物种中,尚无评估不同方法有效性的金标准。随着为家养物种创建多个高质量的参考基因组以及三代长reads测序的出现,人们对CNV研究将会不断增加。

CNV在驯化物种中很普遍
    虽然CNV通常是有害的,但研究表明,CNV有助于驯化相关的快速适应和本土物种的种群扩张。随着检测方法的进步及测序成本的降低,大多数主要作物物种都有了关于CNV的探讨,包括水稻、玉米、马铃薯、大豆、大麦、黄瓜、甜瓜、苹果和葡萄,CNV同时还在家养动物物种中进行了检测,如蚕、羊、山羊、猪、鸡、牛、马和狗(表1)。这些研究表明,CNV是驯化分类群中普遍存在的遗传变异来源。
 
表1、CNV影响驯化性状列表
 
 
 

    这些与驯化和多样化相关的CNV的大小从1 kb到1 Mb不等。在植物14个基因中发现的CNV与复制或扩增相关,而11个基因有CNV插入或缺失;相比之下,在鉴定的14个动物基因中,除了一个以外,其余都是序列复制和/或扩增。
    植物和动物中受CNV影响的类型有一些差异。作物CNV具有更多样的功能,在转录因子基因中发现了CNV突变,这些转录因子与光周期信号、发育、胁迫耐受和抗性基因有关。相比之下,动物CNV主要存在于编码生长因子和受体的基因以及与发育相关的基因中。
CNV与驯化性状和基因
    驯化特征是将驯化物种与其野生后代区分开来,也是与人类社会共存的必要特征。在作物中,常见的驯化性状包括种子不休眠或抑制种子休眠,在动物中,行为性状发生了重大变化。驯化性状背后的基因,或称“驯化基因”,被认为是在作物和牲畜物种进化的早期出现的。因此,检查野生祖先和驯养物种之间的遗传差异一直是一种研究策略。
    有证据表明,与野生亲缘物种相比,家养物种的CNV多样性减少,这与单核苷酸多态性减少相似。优先保留或删除祖先群体的遗传序列可能是在驯化过程中被选择的。例如,对家养的狗和狼的CNV进行比较,发现两组间的某些CNV差异很大。
结论与展望
     CNV代表了一类突变,它们在驯化物种的进化中起着关键作用,但其影响尚未完全被认识到。在研究驯化物种变异和进化的遗传基础的文献中,发现CNV主要与驯化后的性状相关,当作物野生亲缘和地方品种被用作遗传多样性的来源来改良品种时,CNV可能具有作为有用性状来源的巨大潜力。
随着测序技术和生物信息学方法提高人们准确检测CNV的能力,解析CNV的精确数量和位置的将有助于进一步阐明它们的形成机制和进化轨迹。在未来,CNV分析可以与基因调控网络的系统方法相结合,并且可以显示基因CNV是否在基因相互作用网络中受到功能限制。将CNV变异与系统生物学实验方法相结合,可以更深入地了解这些变异的功能作用。
     农业是实际进化遗传学中的一项实践,需要进化出新的品种和品种,以继续确保人类与其驯化伙伴之间稳定的共同进化互动。对其作用的认识可能有助于有针对性地改造作物和牲畜物种,以确保这种共同进化互动的未来,这对人类粮食安全至关重要。
 
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