【昊閱讀】動(dòng)植物馴化過程中的拷貝數(shù)變異

發(fā)稿時(shí)間：2019-06-19來源：天昊生物

當(dāng)人們?cè)趯ふ抑匾誀钕嚓P(guān)基因和突變時(shí)，似乎總熱衷于鑒定相關(guān)SNPs，而容易忽略另外一種重要的遺傳變異--拷貝數(shù)變異(CNV)。今天介紹的這篇文章，就系統(tǒng)的回顧了CNV是如何促進(jìn)動(dòng)植物的馴化過程，并總結(jié)了由CNV導(dǎo)致的馴化性狀的例子，以此來闡明CNV在馴化過程中的作用。

 

Copy Number Variation in Domestication

題目： 馴化中的拷貝數(shù)變異（綜述）

發(fā)表雜志：Trends in Plant Science 影響因子：12.149  發(fā)表日期：2019-4

 

CNV定義及形成機(jī)制

CNV是物種內(nèi)個(gè)體基因組各個(gè)部分的拷貝數(shù)多態(tài)性，包括DNA序列的缺失、復(fù)制或擴(kuò)增，長(zhǎng)度通常為大于1 kb。

CNV的形成機(jī)制有多種，主要包括：1) 非等位同源重組(Nonallelic homologous recombination，NAHR)，這是基于同源的DNA修復(fù)或減數(shù)分裂過程中異常同源識(shí)別的結(jié)果(圖1A)。2) 單鏈退火(Single-strand annealing，SSA)，這是一種雙鏈斷裂修復(fù)過程，其中斷裂端通過長(zhǎng)度大于30 bp的同源物退火連接，這可能導(dǎo)致顯著的DNA缺失(圖1B)。3) 轉(zhuǎn)座子切除(Transposon excision)，該過程通過轉(zhuǎn)座子的切除造成DNA片段移動(dòng)或刪除，導(dǎo)致拷貝數(shù)的變化(圖1C)。4) 逆轉(zhuǎn)錄基因(Retrogenes)，這些反向轉(zhuǎn)錄基因插入基因組后，可能形成新功能或嵌合基因(圖1D)。此外，多倍體化后亞基因組后續(xù)DNA的缺失，微同源性介導(dǎo)的斷裂誘導(dǎo)復(fù)制(Microhomology-mediated break-induced replication，MMBIR)等，都會(huì)導(dǎo)致拷貝數(shù)的變化。

圖1、CNV形成的機(jī)制

 

CNV檢測(cè)方法

陣列比較基因組雜交(Array comparative genome hybridization，aCGH)是基于與覆蓋整個(gè)基因組的平鋪探針微陣列雜交的測(cè)試樣品和參考樣品的熒光信號(hào)的比較。aCGH在檢測(cè)缺失比復(fù)制更準(zhǔn)確。SNP芯片也可以通過比較樣品間的探針的強(qiáng)度差別，用于CNV的檢測(cè)。

基于下一代測(cè)序(Next-generation sequencing，NGS)的方法分為三大類：Read-depth (RD)、Read-pair (RP)和Split-read (SR)。RD方法通過比較與參考基因組比對(duì)的reads深度來檢測(cè)CNVs。RP方法是應(yīng)該比對(duì)到一個(gè)與大約相同距read-pairs離的參考序列上。如果read-pairs比對(duì)的距離比預(yù)期的更遠(yuǎn)，則檢測(cè)到刪除；如果它們靠得太近，則會(huì)檢測(cè)到插入。SR方法使用paired-end reads，并通過異常定位到參考基因組來檢測(cè)CNV。全外顯子組測(cè)序數(shù)據(jù)也可以利用RD方法來發(fā)現(xiàn)CNV。每種檢測(cè)方法都有不同的誤差。RP方法在重復(fù)區(qū)域不太有效，其精度取決于插入片段的尺寸。SR方法偏向于檢測(cè)較小的CNVs。RD方法通常具有較高的假陽性率，并傾向于檢測(cè)大變異。這些方法的有效性還取決于樣本reads深度。由于這些原因，利用NGS數(shù)據(jù)進(jìn)行CNV的研究通常要結(jié)合多種計(jì)算方法來減小假陽性。

CNV的發(fā)現(xiàn)似乎沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)方法。大部分的CNV發(fā)現(xiàn)方法都是為人類開發(fā)的，在家養(yǎng)物種中，尚無評(píng)估不同方法有效性的金標(biāo)準(zhǔn)。隨著為家養(yǎng)物種創(chuàng)建多個(gè)高質(zhì)量的參考基因組以及三代長(zhǎng)reads測(cè)序的出現(xiàn)，人們對(duì)CNV研究將會(huì)不斷增加。

 

CNV在馴化物種中很普遍

雖然CNV通常是有害的，但研究表明，CNV有助于馴化相關(guān)的快速適應(yīng)和本土物種的種群擴(kuò)張。隨著檢測(cè)方法的進(jìn)步及測(cè)序成本的降低，大多數(shù)主要作物物種都有了關(guān)于CNV的探討，包括水稻、玉米、馬鈴薯、大豆、大麥、黃瓜、甜瓜、蘋果和葡萄，CNV同時(shí)還在家養(yǎng)動(dòng)物物種中進(jìn)行了檢測(cè)，如蠶、羊、山羊、豬、雞、牛、馬和狗(表1)。這些研究表明，CNV是馴化分類群中普遍存在的遺傳變異來源。

 

表1、CNV影響馴化性狀列表

 

這些與馴化和多樣化相關(guān)的CNV的大小從1 kb到1 Mb不等。在植物14個(gè)基因中發(fā)現(xiàn)的CNV與復(fù)制或擴(kuò)增相關(guān)，而11個(gè)基因有CNV插入或缺失；相比之下，在鑒定的14個(gè)動(dòng)物基因中，除了一個(gè)以外，其余都是序列復(fù)制和/或擴(kuò)增。

植物和動(dòng)物中受CNV影響的類型有一些差異。作物CNV具有更多樣的功能，在轉(zhuǎn)錄因子基因中發(fā)現(xiàn)了CNV突變，這些轉(zhuǎn)錄因子與光周期信號(hào)、發(fā)育、脅迫耐受和抗性基因有關(guān)。相比之下，動(dòng)物CNV主要存在于編碼生長(zhǎng)因子和受體的基因以及與發(fā)育相關(guān)的基因中。

CNV與馴化性狀和基因

馴化特征是將馴化物種與其野生后代區(qū)分開來，也是與人類社會(huì)共存的必要特征。在作物中，常見的馴化性狀包括種子不休眠或抑制種子休眠，在動(dòng)物中，行為性狀發(fā)生了重大變化。馴化性狀背后的基因，或稱“馴化基因”，被認(rèn)為是在作物和牲畜物種進(jìn)化的早期出現(xiàn)的。因此，檢查野生祖先和馴養(yǎng)物種之間的遺傳差異一直是一種研究策略。 

有證據(jù)表明，與野生親緣物種相比，家養(yǎng)物種的CNV多樣性減少，這與單核苷酸多態(tài)性減少相似。優(yōu)先保留或刪除祖先群體的遺傳序列可能是在馴化過程中被選擇的。例如，對(duì)家養(yǎng)的狗和狼的CNV進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)兩組間的某些CNV差異很大。

結(jié)論與展望

CNV代表了一類突變，它們?cè)隈Z化物種的進(jìn)化中起著關(guān)鍵作用，但其影響尚未完全被認(rèn)識(shí)到。在研究馴化物種變異和進(jìn)化的遺傳基礎(chǔ)的文獻(xiàn)中，發(fā)現(xiàn)CNV主要與馴化后的性狀相關(guān)，當(dāng)作物野生親緣和地方品種被用作遺傳多樣性的來源來改良品種時(shí)，CNV可能具有作為有用性狀來源的巨大潛力。

隨著測(cè)序技術(shù)和生物信息學(xué)方法提高人們準(zhǔn)確檢測(cè)CNV的能力，解析CNV的精確數(shù)量和位置的將有助于進(jìn)一步闡明它們的形成機(jī)制和進(jìn)化軌跡。在未來，CNV分析可以與基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)方法相結(jié)合，并且可以顯示基因CNV是否在基因相互作用網(wǎng)絡(luò)中受到功能限制。將CNV變異與系統(tǒng)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)方法相結(jié)合，可以更深入地了解這些變異的功能作用。

農(nóng)業(yè)是實(shí)際進(jìn)化遺傳學(xué)中的一項(xiàng)實(shí)踐，需要進(jìn)化出新的品種和品種，以繼續(xù)確保人類與其馴化伙伴之間穩(wěn)定的共同進(jìn)化互動(dòng)。對(duì)其作用的認(rèn)識(shí)可能有助于有針對(duì)性地改造作物和牲畜物種，以確保這種共同進(jìn)化互動(dòng)的未來，這對(duì)人類糧食安全至關(guān)重要。

 

 

關(guān)于天昊

 

天昊生物在CNV檢測(cè)服務(wù)方面經(jīng)驗(yàn)豐富，既可以提供基于低深度全基因組測(cè)序的CNV檢測(cè)服務(wù)，也可以提供目標(biāo)區(qū)域CNV檢測(cè)服務(wù)。天昊生物研發(fā)出針對(duì)不同CNV檢測(cè)通量需求的AccuCopy^?多重DNA拷貝數(shù)檢測(cè)技術(shù)、CNVplex^?高通量DNA拷貝數(shù)檢測(cè)技術(shù)和CNVseq^?超高通量DNA拷貝數(shù)等專利技術(shù)，并提供定量PCR檢測(cè)拷貝數(shù)檢測(cè)服務(wù)，期待成為您CNV檢測(cè)的優(yōu)質(zhì)服務(wù)提供商!

歡迎聯(lián)系我們具體咨詢！

郵箱：techsupport@geneskies.com 

電話：400-065-6886