Il Y a Un Secret Dans La Saveur Du Raisin. L'Académie Des Sciences Agricoles Utilise L'apprentissage Automatique Pour Révéler Le Processus D'introgression Génétique

Contenu en un coup d'œil :L’introgression génétique est étroitement liée à la domestication et à l’amélioration génétique des raisins. Des études antérieures ont révélé des signaux génomiques d’introgression de gènes de raisin sauvage dans les raisins cultivés européens, mais le moment, la manière, les modèles génomiques et les effets biologiques de ces événements d’introgression n’ont pas été étudiés en profondeur. Dans cet article, des chercheurs de l'Institut de génomique agricole de Shenzhen, Académie chinoise des sciences agricoles, ont utilisé des méthodes d'analyse génétique des populations basées sur l'apprentissage automatique pour analyser les données de reséquençage des raisins cultivés et sauvages, ce qui est d'une grande importance pour la sélection du raisin.

Mots-clés:Introgression génétique Domestication du raisin Apprentissage automatique

Cet article a été publié pour la première fois sur la plateforme publique HyperAI WeChat~

L'introgression génétique fait référence au processus par lequel des gènes sont introduits d'une espèce ou d'une population dans une autre.Cela se produit généralement lors de l’hybridation et du rétrocroisement entre différentes espèces. Lors de l’introgression génétique, les gènes étrangers pénètrent dans le pool génétique de l’espèce cible par hybridation et se mélangent aux gènes natifs de l’espèce cible.Cette introgression peut entraîner des modifications du génome de l’espèce cible, acquérant ainsi une nouvelle variation et diversité génétique.

L'introgression du raisin fait référence au processus d'échange et de flux de gènes entre les raisins sauvages (Vitis vinifera ssp. sylvestris) et les raisins cultivés (V. vinifera ssp. vinifera).Sous l'influence de la nature et de la sélection artificielle, des échanges génétiques se produisent entre les raisins sauvages et les raisins cultivés, ce qui entraîne l'apparition de caractéristiques génétiques de raisins sauvages dans les raisins cultivés.

Récemment, des chercheurs de l’Institut de génomique agricole de Shenzhen de l’Académie chinoise des sciences agricoles ont étudié l’histoire de l’introgression entre les raisins domestiqués et leurs parents sauvages européens. En utilisant une approche de génétique des populations basée sur l’apprentissage automatique, ils ont révélé le mécanisme de formation de la saveur du raisin et ont fourni des informations approfondies sur ses caractéristiques génétiques et leur impact sur la sélection du raisin.Actuellement, les résultats de la recherche ont été publiés dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences, intitulée « Introgression adaptative et inadaptée dans la domestication de la vigne ».

Les résultats de la recherche ont été publiés dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences

Adresse du document :

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

Ensemble de données

Les chercheurs ont analysé un ensemble de 345 échantillons séquencés, comprenant des raisins de cuve et des raisins de table, couvrant la vaste aire de répartition géographique des raisins sauvages.Il s'agissait de 72 espèces de vignes sauvages (V. vinifera ssp. sylvestris) d'Europe, de 36 espèces de vignes sauvages du Moyen-Orient et du Caucase et de 231 espèces de vignes domestiques (V. vinifera ssp. vinifera), ainsi que de Vitis californica (n = 3) et de Muscadinia rotundifolia (n = 3) représentant des espèces du groupe externe d'Amérique du Nord. En outre, les chercheurs ont échantillonné des raisins sauvages européens pour couvrir les zones de distribution prévues en Europe et au Proche-Orient.

Les données (séquence du génome ; script) ont été déposées sur GitHub :

https://github.com/zhouyflab/Grapevine_Adaptive_Maladaptive_Introgression

Résultats expérimentaux

Histoire de l'introgression 

Dans un premier temps, les chercheurs ont évalué les différences entre les raisins sauvages européens, les raisins de cuve et les raisins de table afin de mieux comprendre l’histoire de la population et de la domestication.Il est à noter que les raisins sauvages européens (EU sylvestris) forment un groupe distinct, partageant peu de composants de mélange avec les raisins de cuve.

Figure 1. Comparaison de différents cépages

UN:Arbre phylogénétique de l'analyse des mélanges.

Dans la phylogénie, les couleurs des branches reflètent les différents groupes : ME 1, jaune ; ME 2, violet; raisins sauvages, brun rougeâtre; raisins de cuve, bleus; raisins de table, verts. Graphique d'admixtion, K = 6 . Les points rouges et les triangles bleus sur le côté droit de la figure montrent si les chloroplastes ou les mitochondries des groupes comestibles ou vinicoles, respectivement, proviennent clairement des raisins sauvages européens.

B:ACP des cinq groupes.

C:Hétérozygotie des cinq groupes.

D:Résultats de simulation directe sous différents types de propagation. Les lignes bleues représentent le croisement, tandis que les lignes orange représentent la reproduction clonale.

La figure 1 montre que les raisins de cuve et les raisins de table ont divergé tôt dans leur évolution, ce qui indique qu’ils ont des utilisations distinctes. Les échantillons de raisins sauvages ont également montré des groupes monophylétiques, mais ont été divisés en trois groupes différents : les raisins sauvages européens (UE), les raisins autour de la mer Caspienne (ME 1) et les raisins du Croissant fertile près de la mer Méditerranée (ME 2). La différenciation entre ces populations a également été confirmée par l’analyse en composantes principales (ACP) et l’estimation de la proportion de composantes ancestrales.L'hétérozygotie des raisins de cuve et des raisins de table (tous deux 0,24) était plus élevée que celle des populations sauvages (0,17 en Europe, 0,20 dans ME1 et 0,22 dans ME2), ce qui peut être dû à l'accumulation de mutations hétérozygotes causées par des événements d'introgression historiques et une reproduction asexuée à long terme.

Direction de l'introgression des gènes 

En s'appuyant sur leur modèle initial, les chercheurs ont estimé 34 modèles possibles de flux génétiques entre les raisins de table, les raisins de cuve et les raisins sauvages européens.En se basant sur le meilleur modèle, fastsimcoal a déduit que les raisins sauvages européens ont divergé il y a environ 40 000 ans.

Figure 2 : Essai d'introgression

Le temps (T) dans les branches horizontales est le temps de divergence de chaque groupe (années), et Ti représente le temps de début d'introgression déduit.

Les chiffres en bas représentent les tailles de population effectives estimées (Ne) pour chaque groupe.

La figure 2 montre que, selon le meilleur modèle, fastsimcoal a déduit que le groupe UE a divergé il y a environ 4 × 104 ans ; la domestication du raisin de table a commencé il y a 1,5 × 104 ans ; et les raisins de cuve séparés des raisins de table il y a environ 1,0 × 104 ans. Les modèles suggèrent que le flux génétique entre les populations sauvages et domestiques en Europe a commencé il y a 1,8 × 103 ans.De plus, le modèle le plus ajusté a également montré que la probabilité d’un flux génétique des populations sauvages européennes vers les populations domestiquées était élevée, le taux de migration vers les raisins de cuve (1,7 × 10−4) étant cinq fois supérieur à celui des raisins de table (3,8 × 10−5).

Région d'introgression 

Les chercheurs ont utilisé des méthodes d’apprentissage automatique pour identifier les régions introgressées du génome de la vigne, ainsi que les caractéristiques génomiques de ces régions.

Figure 3 :Trois gènes dans la région introgressée

Les régions d'introgression putatives prédites par Filet sont marquées par des lignes noires sur les 19 chromosomes.

Les trois couleurs représentent les gènes dans les trois régions d’introgression.

rouge:Gènes liés à la floraison

vert:Gènes liés aux composés aromatiques

bleu:Gènes de réponse au stress.

Les chercheurs ont mené une étude fonctionnelle GO des gènes de sélection d’introgression sur l’ensemble du génome.Et concentrez-vous sur les gènes liés à la floraison, les gènes liés à la saveur et les gènes liés à la réponse au stress.La figure 3 montre que de nombreux gènes liés à la floraison ont été sélectionnés après l’introgression, suivis par les gènes liés aux composés aromatiques. L'enrichissement de la plupart des catégories GO était également lié à la saveur, notamment au processus de dégradation de la lignine, au processus de dégradation de la L-phénylalanine et au processus de biosynthèse de l'acide cinnamique.Par conséquent, les chercheurs en déduisent que l’introgression adaptative entre les raisins de cuve et les raisins sauvages européens a principalement affecté les traits liés à la saveur.

Pour comprendre la dynamique d'introgression des allèles,Les chercheurs ont effectué des simulations directes d’introgression depuis la consanguinité jusqu’à la reproduction clonale.

Figure 4 :SFS des SNP bénéfiques et délétères dans les régions non introgressées et introgressées

E:Le nombre total d'allèles introgressés dans l'ensemble de la population introgressée

F:Le nombre de différents types d'allèles introgressés dans l'ensemble de la population introgressée

G:SFS des allèles bénéfiques et délétères introgressés dans la 500e génération du groupe de croisement

H:SFS des allèles bénéfiques et délétères introgressés dans la 500e génération du groupe clone

L’étude a révélé qu’après l’hybridation, le nombre total d’allèles introgressés (y compris les allèles bénéfiques et nocifs) augmentait jusqu’à ce que l’équilibre soit atteint. Ces simulations suggèrent que le paysage des allèles introgressés peut différer considérablement entre les systèmes clonaux et les systèmes de croisement. L'introgression joue un rôle important dans le recrutement de variantes bénéfiques et délétères, qui peuvent devenir des cibles majeures pour la conception du génome en viticulture, y compris l'élimination de variantes potentiellement délétères lors de la reproduction sexuée.

AGIS : Focus sur l'innovation technologique agricole

Il convient de noter que de nombreux auteurs de cet article sont issus de l’Institut de génomique agricole de Shenzhen, de l’Académie chinoise des sciences agricoles.L'Institut de génomique a été créé en 2014. Il intègre la biologie et la science des mégadonnées pour comprendre et utiliser les génomes biologiques agricoles au service de la production agricole mondiale.La vision à long terme de l’Institut de génomique est de promouvoir un développement agricole mondial durable grâce à une innovation disruptive, de servir un système d’approvisionnement alimentaire personnalisé et d’améliorer la santé humaine et le statut social des agriculteurs.

L'Institut de génomique a publié plus de 620 articles SCI dans des revues de premier plan, notamment Science, Nature et Cell, et est à l'avant-garde mondiale dans des domaines de recherche tels que la génomique agricole.En plus d'étudier le problème de l'introgression génétique dans le raisin, l'institut a également publié deux autres résultats de recherche liés aux gènes du raisin. Elle a non seulement collaboré avec des chercheurs nationaux et étrangers pour dessiner pour la première fois la carte complète du génome du raisin, mais a également révélé les effets à l'échelle du génome et les mécanismes d'adaptabilité climatique de la résistance du raisin sauvage à la maladie de Pierce.

Le directeur a déclaré que l'Institut de génomique est encore un très jeune institut de recherche et qu'il reste encore un long chemin à parcourir pour construire un institut de recherche agricole de classe mondiale. Nous nous baserons sur la nouvelle ère, le nouveau voyage et la nouvelle mission, adhérerons aux « quatre aspects » pour aider à atteindre une autonomie scientifique et technologique de haut niveau et continuerons d'apporter notre contribution à la construction d'un « pays agricole fort ». À l'heure actuelle, l'Institut de génomique a proposé conjointement la construction de la « Shenzhen International Food Valley » avec les départements concernés de la ville de Shenzhen. Le plan a été approuvé par le gouvernement municipal.Nous allons créer un écosystème de collaboration entre l’industrie agricole et alimentaire, l’université et la recherche à Shenzhen et fournir un exemple pionnier de la manière dont la science et la technologie peuvent stimuler la transformation et la modernisation de l’industrie agricole et alimentaire.

Site officiel de l'Institut de génomique :

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

Références :

[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