【昊閱讀】動植物馴化過程中的拷貝數(shù)變異

發(fā)稿時間：2019-06-19來源：天昊生物

當人們在尋找重要性狀相關(guān)基因和突變時，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是如何促進動植物的馴化過程，并總結(jié)了由CNV導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定義及形成機制

CNV是物種內(nèi)個體基因組各個部分的拷貝數(shù)多態(tài)性，包括DNA序列的缺失、復制或擴增，長度通常為大于1 kb。

CNV的形成機制有多種，主要包括：1) 非等位同源重組(Nonallelic homologous recombination，NAHR)，這是基于同源的DNA修復或減數(shù)分裂過程中異常同源識別的結(jié)果(圖1A)。2) 單鏈退火(Single-strand annealing，SSA)，這是一種雙鏈斷裂修復過程，其中斷裂端通過長度大于30 bp的同源物退火連接，這可能導致顯著的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片段移動或刪除，導致拷貝數(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，微同源性介導的斷裂誘導復制(Microhomology-mediated break-induced replication，MMBIR)等，都會導致拷貝數(shù)的變化。

圖1、CNV形成的機制

 

CNV檢測方法

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

基于下一代測序(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的reads深度來檢測CNVs。RP方法是應(yīng)該比對到一個與大約相同距read-pairs離的參考序列上。如果read-pairs比對的距離比預(yù)期的更遠，則檢測到刪除；如果它們靠得太近，則會檢測到插入。SR方法使用paired-end reads，并通過異常定位到參考基因組來檢測CNV。全外顯子組測序數(shù)據(jù)也可以利用RD方法來發(fā)現(xiàn)CNV。每種檢測方法都有不同的誤差。RP方法在重復區(qū)域不太有效，其精度取決于插入片段的尺寸。SR方法偏向于檢測較小的CNVs。RD方法通常具有較高的假陽性率，并傾向于檢測大變異。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)進行CNV的研究通常要結(jié)合多種計算方法來減小假陽性。

CNV的發(fā)現(xiàn)似乎沒有明確的標準方法。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，尚無評估不同方法有效性的金標準。隨著為家養(yǎng)物種創(chuàng)建多個高質(zhì)量的參考基因組以及三代長reads測序的出現(xiàn)，人們對CNV研究將會不斷增加。

 

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張。隨著檢測方法的進步及測序成本的降低，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同時還在家養(yǎng)動物物種中進行了檢測，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個基因中發(fā)現(xiàn)的CNV與復制或擴增相關(guān)，而11個基因有CNV插入或缺失；相比之下，在鑒定的14個動物基因中，除了一個以外，其余都是序列復制和/或擴增。

植物和動物中受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、發(fā)育、脅迫耐受和抗性基因有關(guān)。相比之下，動物CNV主要存在于編碼生長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”，被認為是在作物和牲畜物種進化的早期出現(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，對家養(yǎng)的狗和狼的CNV進行比較，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，它們在馴化物種的進化中起著關(guān)鍵作用，但其影響尚未完全被認識到。在研究馴化物種變異和進化的遺傳基礎(chǔ)的文獻中，發(fā)現(xiàn)CNV主要與馴化后的性狀相關(guān)，當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，CNV可能具有作為有用性狀來源的巨大潛力。

隨著測序技術(shù)和生物信息學方法提高人們準確檢測CNV的能力，解析CNV的精確數(shù)量和位置的將有助于進一步闡明它們的形成機制和進化軌跡。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)生物學實驗方法相結(jié)合，可以更深入地了解這些變異的功能作用。

農(nóng)業(yè)是實際進化遺傳學中的一項實踐，需要進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)定的共同進化互動。對其作用的認識可能有助于有針對性地改造作物和牲畜物種，以確保這種共同進化互動的未來，這對人類糧食安全至關(guān)重要。

 

 

關(guān)于天昊

 

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