Der Traubengeschmack Birgt Ein Geheimnis. Die Akademie Der Agrarwissenschaften Nutzt Maschinelles Lernen, Um Den Prozess Der Genintrogression Aufzudecken

Inhalte im Überblick:Die Genintrogression ist eng mit der Domestizierung und genetischen Verbesserung von Weintrauben verbunden. Frühere Studien haben genomische Signale für die Introgression von Wildrebengenen in europäische Kulturreben aufgedeckt, Zeitpunkt, Art und Weise, genomische Muster und biologische Auswirkungen dieser Introgressionsereignisse wurden jedoch nicht eingehend untersucht. In diesem Artikel verwendeten Forscher des Shenzhen Institute of Agricultural Genomics der Chinesischen Akademie der Agrarwissenschaften auf maschinellem Lernen basierende Methoden der populationsgenetischen Analyse, um Re-Sequenzierungsdaten von Kultur- und Wildtrauben zu analysieren, was für die Traubenzüchtung von großer Bedeutung ist.

Schlüsselwörter:Genetische Introgression, Domestizierung von Trauben, Maschinelles Lernen

Dieser Artikel wurde zuerst auf der öffentlichen HyperAI WeChat-Plattform veröffentlicht~

Unter Genintrogression versteht man den Prozess, bei dem Gene von einer Art oder Population in eine andere eingeführt werden.Es tritt normalerweise während der Hybridisierung und Rückkreuzung zwischen verschiedenen Arten auf. Bei der Genintrogression gelangen fremde Gene durch Hybridisierung in den Genpool der Zielart und vermischen sich mit den nativen Genen der Zielart.Diese Introgression kann zu Veränderungen im Genom der Zielart führen, wodurch neue genetische Variationen und Diversität entstehen.

Unter Traubenintrogression versteht man den Prozess des Genaustauschs und Genflusses zwischen Wildtrauben (Vitis vinifera ssp. sylvestris) und Kulturtrauben (V. vinifera ssp. vinifera).Unter dem Einfluss der Natur und künstlicher Selektion kommt es zu einem Genaustausch zwischen Wildtrauben und Kulturtrauben, was dazu führt, dass genetische Merkmale der Wildtrauben in Kulturtrauben auftreten.

Kürzlich untersuchten Forscher des Shenzhen Agricultural Genomics Institute der Chinesischen Akademie der Agrarwissenschaften die Introgressionsgeschichte zwischen domestizierten Weintrauben und ihren wilden europäischen Verwandten. Mithilfe eines populationsgenetischen Ansatzes auf Basis maschinellen Lernens deckten sie den Mechanismus der Traubenaromabildung auf und lieferten umfassende Einblicke in seine genetischen Merkmale und deren Auswirkungen auf die Traubenzüchtung.Die Forschungsergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences unter dem Titel „Adaptive and maladaptive introgression in grapevine domestication“ veröffentlicht.

Die Forschungsergebnisse wurden in der Zeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht

Papieradresse:

https://www.pnas.org/doi/abs/10.1073/pnas.2222041120

Datensatz

Die Forscher analysierten einen Satz von 345 sequenzierten Proben, darunter Weintrauben und Tafeltrauben, und deckten damit das breite geografische Verbreitungsgebiet wilder Trauben ab.Dazu gehörten 72 wilde Rebsorten ( V. vinifera ssp. sylvestris ) aus Europa, 36 wilde Rebsorten aus dem Nahen Osten und dem Kaukasus und 231 domestizierte Rebsorten ( V. vinifera ssp. vinifera ) sowie Vitis californica ( n = 3) und Muscadinia rotundifolia ( n = 3), die nordamerikanische Ausgruppenarten repräsentieren. Darüber hinaus entnahmen die Forscher Proben europäischer Wildreben, um die prognostizierten Verbreitungsgebiete in Europa und dem Nahen Osten abzudecken.

Die Daten (Genomsequenz; Skript) wurden auf GitHub hinterlegt:

https://github.com/zhouyflab/Grapevine_Adaptive_Maladaptive_Introgression

Experimentelle Ergebnisse

Geschichte der Introgression 

Zunächst untersuchten die Forscher die Unterschiede zwischen europäischen Wildtrauben, Weintrauben und Tafeltrauben, um Erkenntnisse über die Populations- und Domestizierungsgeschichte zu gewinnen.Insbesondere bilden wilde europäische Trauben (EU sylvestris) eine eigene Gruppe, da sie nur wenige Beimischungskomponenten mit Weintrauben gemeinsam haben.

Abbildung 1. Vergleich verschiedener Rebsorten

A:Phylogenetischer Baum der Admixture-Analyse.

In der Phylogenese spiegeln die Farben der Zweige die verschiedenen Gruppen wider: ME 1, gelb; ME 2, lila; wilde Trauben, rötlich-braun; Weintrauben, blau; Tafeltrauben, grün. Beimischungsdiagramm, K = 6 . Die roten Punkte und blauen Dreiecke auf der rechten Seite der Abbildung zeigen, ob Chloroplasten oder Mitochondrien aus der Gruppe der essbaren bzw. der Gruppe der Weinreben eindeutig von europäischen Wildreben stammen.

B:PCA der fünf Gruppen.

C:Heterozygotie der fünf Gruppen.

D:Ergebnisse der Vorwärtssimulation unter verschiedenen Ausbreitungsarten. Die blauen Linien stellen die Auskreuzung dar, während die orangefarbenen Linien die klonale Reproduktion darstellen.

Abbildung 1 zeigt, dass sich Weintrauben und Tafeltrauben in ihrer frühen Evolution getrennt haben, was darauf hindeutet, dass sie unterschiedliche Verwendungszwecke haben. Auch Proben wilder Trauben zeigten monophyletische Gruppen, wurden jedoch in drei verschiedene Gruppen unterteilt: europäische Wildtrauben (EU), Trauben rund um das Kaspische Meer (ME 1) und Trauben im Fruchtbaren Halbmond in der Nähe des Mittelmeers (ME 2). Die Differenzierung zwischen diesen Populationen wurde auch durch eine Hauptkomponentenanalyse (PCA) und eine Schätzung des Anteils der ursprünglichen Komponenten bestätigt.Die Heterozygotie von Weintrauben und Tafeltrauben (beide 0,24) war höher als die von Wildpopulationen (0,17 in Europa, 0,20 in ME1 und 0,22 in ME2), was auf die Anhäufung heterozygoter Mutationen zurückzuführen sein könnte, die durch historische Introgressionsereignisse und langfristige ungeschlechtliche Fortpflanzung verursacht wurden.

Richtung der Gen-Introgression 

Aufbauend auf ihrem ursprünglichen Modell schätzten die Forscher 34 mögliche Muster des Genflusses zwischen Tafeltrauben, Weintrauben und europäischen Wildtrauben.Auf Grundlage des besten Modells gelangte fastsimcoal zu dem Schluss, dass sich die europäischen Wildreben vor etwa 40.000 Jahren auseinander entwickelten.

Abbildung 2: Introgressionstest

Die Zeit (T) in den horizontalen Zweigen ist die Divergenzzeit jeder Gruppe (Jahre) und Ti stellt den abgeleiteten Beginnzeitpunkt der Introgression dar.

Die Zahlen unten sind die geschätzten effektiven Populationsgrößen (Ne) für jede Gruppe.

Abbildung 2 zeigt, dass fastsimcoal unter Verwendung des besten Modells zu dem Schluss kam, dass sich die EU-Gruppe vor etwa 4 × 104 Jahren aufspaltete; die Domestizierung von Tafeltrauben begann bereits vor 1,5 × 104 Jahren; und Weintrauben wurden vor etwa 1,0 × 104 Jahren von Tafeltrauben getrennt. Modelle legen nahe, dass der Genfluss zwischen wilden und domestizierten Populationen in Europa vor 1,8 × 103 Jahren begann.Darüber hinaus zeigte das am besten passende Modell auch, dass die Wahrscheinlichkeit eines Genflusses von europäischen Wildpopulationen zu domestizierten Populationen hoch war, wobei die Migrationsrate zu Weintrauben (1,7 × 10−4) fünfmal so hoch war wie zu Tafeltrauben (3,8 × 10−5).

Introgressionsregion 

Die Forscher verwendeten Methoden des maschinellen Lernens, um introgressierte Regionen des Genoms der Weinrebe sowie die genomischen Merkmale dieser Regionen zu identifizieren.

Abbildung 3:Drei Gene in der Introgressionsregion

Die von Filet vorhergesagten mutmaßlichen Introgressionsregionen sind auf den 19 Chromosomen mit schwarzen Linien markiert.

Die drei Farben repräsentieren die Gene in den drei Introgressionsregionen.

Rot:Mit der Blüte verbundene Gene

Grün:Mit Aromastoffen in Zusammenhang stehende Gene

Blau:Stressreaktionsgene.

Die Forscher führten eine GO-Funktionsstudie von Introgressionsselektionsgenen im gesamten Genom durch.Und konzentrieren Sie sich auf blütenbezogene Gene, geschmacksbezogene Gene und stressreaktionsbezogene Gene.Abbildung 3 zeigt, dass viele mit der Blüte in Zusammenhang stehende Gene nach der Introgression selektiert wurden, gefolgt von Genen, die mit aromatischen Verbindungen in Zusammenhang stehen. Die Anreicherung der meisten GO-Kategorien stand auch im Zusammenhang mit dem Geschmack, einschließlich des Ligninabbauprozesses, des L-Phenylalaninabbauprozesses und des Zimtsäurebiosyntheseprozesses.Die Forscher schlussfolgern daher, dass die adaptive Introgression zwischen Weintrauben und europäischen Wildtrauben vor allem geschmacksbezogene Merkmale beeinflusste.

Um die Introgressionsdynamik von Allelen zu verstehen,Die Forscher führten Vorwärtssimulationen der Introgression von der Auskreuzung zur klonalen Reproduktion durch.

Abbildung 4:SFS von nützlichen und schädlichen SNPs in nicht-introgressierten und introgressierten Regionen

E:Die Gesamtzahl der introgressierten Allele in der gesamten introgressierten Population

F:Die Anzahl der verschiedenen Arten von introgressierten Allelen in der gesamten introgressierten Population

G:SFS von introgressierten vorteilhaften und schädlichen Allelen in der 500. Generation der Auskreuzungsgruppe

H:SFS von vorteilhaften und schädlichen Allelen, die in der 500. Generation der Klongruppe introgressiert wurden

Die Studie ergab, dass nach der Hybridisierung die Gesamtzahl der introgressierten Allele (einschließlich nützlicher und schädlicher Allele) zunahm, bis ein Gleichgewicht erreicht war. Diese Simulationen legen nahe, dass sich die Landschaft der introgressierten Allele zwischen Klon- und Auskreuzungssystemen erheblich unterscheiden kann. Introgression spielt eine wichtige Rolle bei der Rekrutierung vorteilhafter und schädlicher Varianten, die zu wichtigen Zielen für das Genomdesign im Weinbau werden können, einschließlich der Beseitigung potenziell schädlicher Varianten während der sexuellen Fortpflanzung.

AGIS: Fokus auf Agrartechnologie-Innovation

Es ist erwähnenswert, dass viele Autoren dieses Artikels vom Shenzhen Institute of Agricultural Genomics der Chinesischen Akademie der Agrarwissenschaften stammen.Das Institute of Genomics wurde 2014 gegründet. Es integriert Biologie und Big Data-Wissenschaft, um landwirtschaftliche biologische Genome zu verstehen und für die globale landwirtschaftliche Produktion zu nutzen.Die langfristige Vision des Institute of Genomics besteht darin, durch bahnbrechende Innovationen eine nachhaltige globale Landwirtschaft zu fördern, ein personalisiertes Nahrungsmittelversorgungssystem bereitzustellen und die menschliche Gesundheit sowie den sozialen Status der Landwirte zu verbessern.

Das Institute of Genomics hat über 620 SCI-Artikel in Top-Zeitschriften wie Science, Nature und Cell veröffentlicht und nimmt in Forschungsbereichen wie der Agrargenomik eine weltweite Spitzenposition ein.Neben der Untersuchung des Problems der Genintrogression bei Weintrauben veröffentlichte das Institut auch zwei weitere Forschungsergebnisse im Zusammenhang mit Weintraubengenen. Dabei wurde nicht nur mit Wissenschaftlern aus dem In- und Ausland zusammengearbeitet, um erstmals eine vollständige Genomkarte der Weintraube zu erstellen, sondern auch die genomweiten Auswirkungen und Klimaanpassungsmechanismen der Resistenz wilder Weintrauben gegen die Pierce-Krankheit aufgedeckt.

Der Direktor sagte, dass das Genomics Institute noch ein sehr junges Forschungsinstitut sei und es noch ein langer Weg sei, bis es ein landwirtschaftliches Forschungsinstitut von Weltklasse aufgebaut sei. Wir werden uns auf die neue Ära, den neuen Weg und die neue Mission stützen, an den „vier Aspekten“ festhalten, um ein hohes Maß an wissenschaftlicher und technologischer Autarkie zu erreichen und weiterhin unseren Beitrag zum Aufbau eines „starken Agrarlandes“ leisten. Derzeit hat das Institute of Genomics gemeinsam mit den zuständigen Abteilungen der Stadt Shenzhen den Bau des „Shenzhen International Food Valley“ vorgeschlagen. Der Plan wurde von der Stadtregierung genehmigt.Wir werden in Shenzhen ein Ökosystem für die Zusammenarbeit zwischen der Agrar- und Lebensmittelindustrie, der Universität und der Forschung aufbauen und ein bahnbrechendes Beispiel dafür liefern, wie Wissenschaft und Technologie die Transformation und Modernisierung der Agrar- und Lebensmittelindustrie vorantreiben können.

Offizielle Website des Genomics Institute:

https://www.agis.org.cn/index.htm

Quellen:

[1]https://www.163.com/dy/article/I6KVQLV205328VPM.html

[2]https://www.sohu.com/a/682674856_121124027

[3]https://www.caas.cn/xwzx/kyhd/60f2e9b4dff84bed9e315b7097aeb26b.htm

[4]https://www.agis.org.cn/bsgk/yjsjj/index.htm

[5]https://www.agis.org.cn/xwzx/kyjz/677aecae97c448c9bed7e89f95daae7f.htm