引种黑杨木种群物候适应的遗传基础(毛果杨托。&灰色)

Rami-Petteri Apuli¹，
托马斯理查兹^1，2，
玛莎Rendon-Anaya¹，
阿尔米尔卡拉奇^3.，
安·克里斯汀·伦伯格-Wästljung¹＆
Par k IngvarssonORCID:orcid.org/0000 - 0001 - 9225 - 7521¹

BMC植物生物学体积21，文章编号：317（2021）引用这篇文章

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韵律学细节

摘要

背景

进入和退出冬季休眠是北纬地区生长和生存之间的重要权衡。许多森林树木在与这些物候过渡相关的性状上表现出跨纬度的局部适应。将一个物种转移到其本地范围之外，将该物种引入新的环境条件组合，可能需要不同的等位基因组合来优化生长和生存。在这项研究中，我们进行了全基因组关联分析和选择扫描P毛果从本地采集并引入瑞典的无性系之间的杂交获得的图谱群体。GWAS分析是利用在两个季节和一个受控的人工气候室实验中收集的表型数据进行的。

结果

我们发现了与春季和秋季候选性的584个候选基因，以及生长。许多地区含有与叶子血管和叶秋着着色的发起显着相关的变化，在本地环境中似乎在阳性选择下已经不断发展P毛果. 通过比较在本地环境中进行的早期GWAS分析结果确定的候选基因，发现春季物候性状的重叠比秋季物候性状的重叠小，与早期的观察结果一致，春季物候转换比秋季物候转换有更复杂的遗传基础。

结论

在一个小巧的结构介绍的人口中P毛果，我们发现了所有物候和生长性状背后的复杂遗传结构，并确定了多个假定的候选基因，尽管研究群体的局限性。

同行评审报告

背景

在北纬地区，冬季条件不利于植物的生长，因为低温、霜冻和光条件的结合导致多年生植物通过进入冬季休眠(以后称为休眠)来避免这些条件[1］．从积极的生长到休眠和休眠到主动生长的转变由不同的环境线索控制，其中到休眠过渡的主要被光周期的变化诱导[2]或质量轻[3.]而休眠的解除是由于长期暴露在低温下，随后温度升高，重新激活了生长[4］．已知物候转换的时间不正确会导致由于长时间休眠而失去潜在生长，或由于暴露于不利条件甚至死亡而损害分生组织和叶子等重要组织，从而导致实现生长的损失。因此，休眠是生命史上生长与生存之间的一种重要权衡。适应不良的个体很可能遭受繁殖成功率和/或生物量产量降低的影响，这两者都可能对生态和经济产生重大影响[5］．

广泛物种的群体通常会显示对其本地环境的表型和遗传适应的签名，即使在群体之间具有相当大的基因流动的物种[6］．这种现象，称为局部适应，往往是从阳性选择产生的[7，从而在整个基因组中留下独特的、可检测的特征[8，9］．选择的强度以及局部重组率和基因流动是选择签名的范围和大小的主要决定因素[9，10］．此外，个体基因组中的分离多态性与其表型或其出生环境的测量之间的关联可以通过进行全基因组关联研究(GWAS)来探索[11］．在大量具有南北分发范围内的大量物种中观察到局部适应气候和光周期，包括拟南芥［7]，Picea amies［12),震颤杨［13]. 实证研究表明，局部适应的遗传基础可能是高度多基因的，其中大多数具有局部适应的基因座和等位基因的影响很小[14虽然在某些系统中观察到大效果基因座（例如[[15])。由于这些特征的多基因性质，局部适应气候的遗传建筑在甚至密切相关的物种之间可以非常多样化，尽管通过非常相似的环境条件驱动（例如[15，16])。

属于属的种类杨树是落叶的早期演替树木，在北半球分布广泛，从赤道到树木生长的北部界限。快速生长速度和产生自然无性系的能力[17，18刺激了对该属动物的经济兴趣[17]，而该属的许多物种也被认为是其自然栖息地的关键物种[19］．杨树物种经常用于森林工业的生物量生产，即使在自然分配范围之外也是[20]. 在北欧，生物质生产杨树由于商业育种品种的物候不适应，物种是一种未充分利用的选择[21］．因此，商业利益的存在是为了适应外来人口杨树物种在北欧条件下生长，但缺乏必要的遗传资源和对相关性状的了解[22]. 黑杨木(毛果杨)是一种原产于北美的落叶树，从加利福尼亚到阿拉斯加，在北美的西部和西北部持续分布。人们对该物种在其自然范围内进行了彻底的研究，发现该物种在其自然范围内显示出对气候和光周期的局部适应特征[16，23］．将该物种引入瑞典北部的新环境，可以进一步探索这些性状的遗传结构，有可能揭示与它们相关的新基因，并与自然范围的选择结果和签名进行比较，为进一步揭示这些性状在新条件下的适应细节和潜在限制提供了机会。最后，探索适应潜力[22]引种所产生的小种群遗传基础也将有助于深入了解如何在林木中进行经济高效的育种。

在这项研究中，我们进行了田间试验和控制环境人工气候试验，以收集春季和秋季物候和生长性状的数据P毛果．我们利用这些数据分析了这些性状的遗传基础，采用了群体基因组学方法和全基因组关联研究。我们比较了在连续两年以及在田间和植物中发现的候选基因，以确定对不同物候性状有可靠影响的基因。最后，我们将我们鉴定的候选基因与早期在自然范围内进行的关联研究的结果进行比较P毛果对本地和新颖环境下酚类特性的遗传控制进行造影。

结果

表型变异和遗传性

所有的性状（见缩写表）在年内和年间都显示出变异，尽管BB2排名靠前（图。1E)和BS2(图。1F）与其他性状相比，变异性明显较小（图。1). 田间性状有极显著差异(P < 0.001) 2017年与2018年的差异。除BB2-top和BS2外，所有所选性状均具有明显的广义和狭义遗传力(H²> 0.4, h² > 0.15) with only BB2-top having narrow sense heritability less than 0.05 and BS2 having broad sense heritability below 0.25. There were signs of overfitting for CO8-18 and LS5-18 of the field traits and BS2, BS7, BB2-top, BB4-top, BB2-brn, BB4-brn and BB2-stt, which all were potentially overfitted in the model for BLUP -estimation for calculating the broad sense heritability estimations, as the values approached a singularity fit (TableS7). 虽然BB2-stt和BB4-stt，BB4-stt和BB4-stb，以及CO3-17和CO8-17都具有很高的相关性（r²>(图0.8)。S2)．

在植物实验（BRN，STB，STT和顶部）的植物不同部位之间的发芽突发的开始明显不同。然而，这些差异在很大程度上消失了3^研发阶段为brn, STB和top，而STT在4^TH.阶段。在第五阶段，植物的不同部位的行为都是相似的。21)。^英石2018年8月，在第二季春季之前，植物冬季冬季冬季发生故障，导致模拟冬季温度为4°C（表S5）转向高达21°C几个小时，一旦冬季条件恢复，某些切屑的早期芽和随后的芽损伤。当比较具有受损或缺乏顶端芽的个体时，STT的芽突发定时（图。2B）和机顶盒（图。2C）而分枝则无明显差异（图。2D).芽集后期也存在显著差异(图4)。2E)。

林德利评分和候选基因综述

林德利评分法确定了不同性状的0-80个显著斜率，得出了总共250个显著斜率（表1）1，也参见图1和图2.S3和S4对于传统的曼哈顿和分位数的情节)。秋季物候性状LS5-17(图。3.A），LS2-17（图。3.B）和CO3-17分别具有80,25和21的显着斜坡数，其次是BB4-TOP，具有20个显着斜坡。最后，LS5-18，BB4-STB和BB4-BRN分别具有14,13和10个显着斜坡。其余的特征，包括BS7（图。3.C)，有9个或更少的显著斜坡，没有确定的BB2-brn显著斜坡(表1)．生长性状（DBH-17）具有4个显着斜率（图。3.D）是的。

表1我们选择的23个秋季物候期、春季物候期和生活史生长场和植物激素性状的显著坡度和候选基因数(在显著坡度10 kbp以内)

全尺寸表

在0到101个基因之间位于所有特征的重要斜坡的10kbp内，整个特征有584个独特的基因（表1). 对这些基因进行GO术语富集分析，经过多次测试校正后，在我们的8个性状中产生了41个富集术语。其中生物过程类20种，细胞成分类13种，分子功能类8种。总的来说，13种显著富集的细胞成分中有5种是膜（表1）S8)．

积极选择和转入富集的签名

一百八，106个SNP位于10 kbp内，在IHS选择扫描中，189位位于顶部0.1百分位数中（图。4A）是的。类似地，120914个SNP（由于处理零重组值的差异而更高）位于显著斜率的10 kbp内，65个下降位于H12统计的0.1%的顶部（图。4b）。涵盖CO3-17和LS2-17的候选基因周围的SNP标记显着（P 在两种选择扫描中富集的<0.05）富含0.1个百分位数（表S9)，使用超几何分布检验。710个和685个基因在最高峰值的10kbp范围内，对iHS和H12选择估计分别产生13和15个GO-term富集(图1)。5，表格S8)．

秋季候选

土壤和植物秋季物候性状的显著坡位分别为164个和6个，扩展坡位的候选基因分别为336个和30个。在366个候选基因中，34个基因在不同的秋季物候性状间具有相似性，6个基因在不同年份的同一性状上具有相似性。我们只观察到CO3和LS2在年份之间有重叠，而CO8和LS5没有重叠(图5)。S6，表格S10级)．2个不同秋季物候性状间共有23个候选基因，4个秋季物候性状间共有5个候选基因。5个候选基因在CO3-17、CO3-18、LS2-17和LS5-18之间共享(表5S10级)．

我们的研究和Evans [23和McKown [16］．32个候选基因在Evans之间共享[23，我们的结果和一个候选基因在McKown [16]以及我们的结果（图。6一、表第11页). 长期富集分析得到13个秋季物候富集（图。5在BS中发现了10个（图。5b）。13个浓缩中的四种与选择估计共享，2带H12和3，IHS（图。5)，其中一个在选择估计值和田间秋季物候性状之间共享(图。5一个)。

春季物候学

田间和人工气候室春季物候性状共观察到21个和55个显著斜率，扩展斜率分别包含61个和148个候选基因。同一性状在田间多年共有5个基因，在人工气候室中BB4-stb和BB4-brn共有2个基因。S6，表格S10级)．这2个候选基因构成了植物芽猝发的唯一重叠部分，因为在两个阶段BB2和BB4的候选基因中，植物芽猝发的4个性状都没有出现阶段性重叠(图1)。7)．这些阶段的植物加速器和野外估计也没有重叠(表S10级). 此外，至少一个秋季和一个春季物候性状共有7个候选基因。

对于春季物候性状，我们没有观察到我们的结果和McKown之间共享的候选基因[16)，而我们的研究结果和Evans共有19个基因[23]（芽破）（图。6B，表格第11页)．在AT - GO-term分析中发现了28个春季物候性状的富集(图1)。5). 最后，在春季物候期和H12和iHS选择估计值之间分别共享了2个GO术语富集（图。5)．

讨论

基因组宽协会研究问题

我们绘图人群的相关结构和研究人群的小规模都对进行无偏GWAS提出了挑战。即使我们使用的作图群体是小的和家庭结构，群体显示类似程度的LD比以前从野生个体获得的样本[24，25]，表明该结构和之前的任何选择都没有对种群中的LD水平产生重大影响。我们还试图通过在GWAS分析中包括亲属矩阵来减轻个体的亲缘关系问题[26，27，尽管这不太可能完全消除亲缘关系的混淆效应。我们的研究人群规模较小，这可能给GWAS的力量带来另一个问题。然而，之前已经发现该种群在物候性状上存在大量的遗传变异，足以适应未来的变化[22]. 因此，虽然许多较小的效应结构可能仍然未被发现，但我们应该有能力在性状中找到至少较大的效应位点[15，16，23尽管我们的人口规模很小。减轻这两个问题的另一个因素是我们选择使用Lindley方法[28]，允许我们利用完整的7,076,549组SNP及其各自的连锁状态中包含的信息，尽管这不太可能完全消除该群体中由于较小的尺寸、结构和以前的选择而导致的假阳性。然而，尽管我们尽了最大努力来缓解这些问题，我们承认我们的GWAS结果并不适用于全球毛果杨作为物种，但具体到我们的研究群体，以进一步探索其更好地适应北欧的新条件的可能性，以繁殖目的。