ブドウの風味には秘密があります。農業科学アカデミーは機械学習を使用して遺伝子移入のプロセスを明らかにしています。

内容の概要:遺伝子導入は、ブドウの栽培化と遺伝的改良に密接に関連しています。これまでの研究により、ヨーロッパで栽培されているブドウにおける野生ブドウの遺伝子移入のゲノムシグナルが明らかになっているが、これらの遺伝子移入事象のタイミング、様式、ゲノムパターン、および生物学的影響については十分に研究されていない。この記事では、中国農業科学院深セン農業ゲノミクス研究所の研究者らが、機械学習による集団遺伝解析手法を用いて、ブドウ育種にとって非常に重要な栽培ブドウと野生ブドウのリシーケンスデータ解析を実施した。

キーワード:遺伝子移入 ブドウ栽培化機械学習

この記事は、HyperAI Super Neural WeChat パブリック プラットフォームで初めて公開されました~

遺伝子移入とは、ある種または集団から別の種または集団への遺伝子の遺伝子移入のプロセスを指します。これは通常、異なる種間の交配と戻し交配中に発生します。遺伝子移入では、外来遺伝子がハイブリダイゼーションを通じて標的種の遺伝子プールに入り、標的種の在来遺伝子と混合します。この遺伝子移入は、標的種のゲノムに変化をもたらし、新たな遺伝的変異と多様性を獲得する可能性があります。

ブドウの遺伝子移入とは、野生ブドウ (Vitis vinifera ssp. ssp. vinifera) と栽培ブドウ (V. vinifera ssp. vinifera) の間の遺伝子交換および遺伝子流動のプロセスを指します。自然および人為的選択の影響下で、野生ブドウと栽培ブドウの間で遺伝子交換が起こり、その結果、栽培ブドウに野生ブドウの遺伝的特徴が現れます。

最近、中国農業科学院の深セン農業ゲノムの研究者らは、機械学習に基づく集団遺伝学的手法を用いて、栽培されたブドウとそのヨーロッパの野生近縁種との間の遺伝子移入の歴史を研究し、ブドウの風味とその遺伝子の形成メカニズムを明らかにした。特徴とそのブドウ育種への影響から、深い洞察が得られます。現在、研究結果は「ブドウの家畜化における適応的および非適応的遺伝子移入」というタイトルで米国科学アカデミー紀要に掲載されている。

研究結果は、米国科学アカデミー紀要誌に掲載されました。

用紙のアドレス:

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

データセット

研究者らは、ワイン用ブドウや生食用ブドウを含む、地理的に広範囲の野生ブドウをカバーする一連の 345 個の配列決定済みサンプルを分析しました。これらには、ヨーロッパからの 72 種の野生ブドウ種 (V. vinifera ssp. sylvestris)、中東およびコーカサスからの 36 種の野生ブドウ種と 231 種の栽培ブドウ種 (V. vinifera ssp. vinifera)、およびアウトグループを表す Vitis が含まれます。北アメリカのカリフォルニア種 (n = 3) と Muscadinia rotundifolia (n = 3)。さらに研究者らは、ヨーロッパと近東での予測範囲をカバーするためにヨーロッパの野生ブドウをサンプリングしました。

データ (ゲノム配列、スクリプト) は GitHub に保存されています。

https://github.com/zhouyflab/Grapevine_Adaptive_Maladaptive_Introgression

実験結果

遺伝子移入の歴史 

まず研究者らは、ヨーロッパの野生ブドウ、ワイン用ブドウ、生食用ブドウの違いを評価して、個体数と家畜化の歴史についての洞察を得ました。特に、ヨーロッパの野生ブドウ (EU sylvestris) は別個のグループを形成しており、いくつかのブレンド成分をワイン用ブドウと共有しています。

図 1. さまざまなブドウ品種の比較

答え:ハイブリッド解析による系統樹。

系統発生では、枝の色がさまざまなグループを反映しています。ME 1 は黄色、ME 2 は紫、ワイン用ブドウは青、ブドウは緑です。混合物のグラフ、K = 6。図の右側にある赤い点と青い三角形は、それぞれ食品グループまたはワイン製造グループの葉緑体またはミトコンドリアが明らかにヨーロッパの野生ブドウ由来であるかどうかを示しています。

B:5 つのグループの PCA。

子：5 つのグループのヘテロ接合性。

D：さまざまな伝播タイプでのシミュレーション結果を転送します。青い線は異系交雑を表し、オレンジ色の線はクローン生殖を表します。

図 1 は、ワイン用ブドウと食用ブドウが進化の過程の早い段階で分岐したことを示しており、その用途に明らかな違いがあることを示しています。野生ブドウのサンプルも単系統でしたが、ヨーロッパの野生ブドウ (EU)、カスピ海周辺に位置するブドウ (ME 1)、地中海近くの肥沃な三日月地帯に位置するブドウ (ME 2) の 3 つの異なるグループに分けられました。これらの集団間の区別は、主成分分析 (PCA) と祖先成分の割合の推定によっても確認されました。ワイン用ブドウと食用ブドウのヘテロ接合性（両方とも 0.24）は、野生集団（ヨーロッパでは 0.17、ME1 では 0.20、ME2 では 0.22）よりも高く、これは歴史的な遺伝子移入事象と長期にわたる無性生殖の蓄積によるものと考えられます。突然変異。

遺伝子移入の方向 

研究者らは、初期モデルに基づいて、食用ブドウ、ワイン用ブドウ、ヨーロッパの野生ブドウの間で考えられる 34 の遺伝子流動パターンを推定しました。最良のモデルによると、fastsimcoal はヨーロッパの野生ブドウが約 40,000 年前に分岐したと推測しています。

図 2: 遺伝子移入の検出

水平枝の時間 (T) は各グループの分岐時間 (年) であり、T_i は推定される遺伝子移入開始時間を表します。

下部の数字は、各グループの推定有効個体群サイズ (Ne) です。

図 2 は、最良のモデルの下で、fastsimcoal が EU 分類群が約 4 × 104 年前に分岐したことを示しており、食用ブドウの栽培化は 1.5 × 104 年前に始まり、ワイン用ブドウは食用ブドウから分離された。 。モデルは、ヨーロッパの野生集団と家畜集団の間の遺伝子流動が 1.8 × 103 年前に始まったことを示唆しています。さらに、最も適合したモデルは、ヨーロッパの野生集団から家畜集団への遺伝子流動の高い確率も示し、ワイン用ブドウへの移動速度 (1.7 × 10−4) は食用ブドウの移動速度 (3.8 × 10−4) の 5 倍でした。 −5) 。

遺伝子移入領域 

研究者らは、機械学習手法を使用して、ブドウゲノムの遺伝子移入領域と、これらの領域のゲノム特徴を特定しました。

図3:遺伝子移入領域の 3 つの遺伝子

フィレットによって予測された推定の遺伝子移入領域は、染色体 19 上の黒い線でマークされています。

3 つの色は、3 つの遺伝子の遺伝子移入領域内の遺伝子を表します。

赤：開花関連遺伝子

緑：芳香族化合物関連遺伝子

青：ストレス応答遺伝子。

研究者らは、ゲノム全体にわたって遺伝子移入的に選択された遺伝子について GO 機能研究を実施しました。そして、開花関連遺伝子、風味関連遺伝子、ストレス応答関連遺伝子に焦点を当てます。図 3 は、開花に関連する多くの遺伝子が遺伝子移入後に選択され、次に芳香族化合物に関連する遺伝子が選択されたことを示しています。ほとんどの GO カテゴリの濃縮は、リグニン分解プロセス、L-フェニルアラニン分解プロセス、桂皮酸生合成プロセスなどの風味にも関連していました。したがって、研究者らは、ワイン用ブドウとヨーロッパの野生ブドウの間の適応遺伝子移入は主に風味関連形質に影響を与えたと結論付けた。

対立遺伝子の遺伝子移入ダイナミクスを理解するには、研究者らは、異系交雑とクローン生殖における遺伝子移入の順方向シミュレーションを実行しました。

図4:非遺伝子移入領域および遺伝子移入領域における有益な SNP と有害な SNP の SFS

E:遺伝子移入された集団全体における遺伝子移入された対立遺伝子の総数

ファ：遺伝子移入集団全体におけるさまざまなタイプの遺伝子移入対立遺伝子の数

G:異系交配グループの 500 世代における遺伝子移入された有益な対立遺伝子と有害な対立遺伝子の SFS

ひ：500世代におけるクローングループにおける有益な対立遺伝子と有害な対立遺伝子の遺伝子移入のSFS

この研究では、ハイブリッド形成後、平衡に達するまで、遺伝子移入された対立遺伝子 (有益な対立遺伝子と有害な対立遺伝子を含む) の総数が増加することがわかりました。これらのシミュレーションは、遺伝子移入された対立遺伝子の状況がクローン系と異系交配系で大きく異なる可能性があることを示しています。遺伝子移入は、有益な変異と有害な変異のリクルートに重要な役割を果たしており、有性生殖時の潜在的に有害な変異の除去など、ブドウ栽培におけるゲノム設計の主要な標的となる可能性があります。

AGIS: 農業技術革新に焦点を当てる

この論文の著者の多くは中国農業科学院深セン農業ゲノミクス研究所の出身であることは注目に値します。ゲノミクス研究所は 2014 年に設立されました。生物学とビッグ データ サイエンスを統合して、農業生物学的ゲノムを理解して利用し、世界の農業生産に貢献しています。ゲノミクス研究所の長期ビジョンは、破壊的イノベーションを通じて世界の農業の持続可能な発展を促進し、個別化された食料供給システムにサービスを提供し、人間の健康と農民の社会的地位を向上させることです。

Genomics Institute は、Science、Nature、Cell などのトップジャーナルに 620 以上の SCI 論文を発表しており、農業ゲノミクスをはじめとする研究分野は世界の最前線を占めています。ブドウの遺伝子移入の問題の研究に加えて、同研究所は、国内外の学者と協力してブドウの完全なゲノム地図を初めて作成しただけでなく、ブドウの遺伝子に関連する他の2つの研究結果も発表した。また、ピアース病に対する耐性と気候適応メカニズムに対する野生ブドウの全ゲノム効果も明らかにしました。

同所長は、ゲノミクス研究所はまだ非常に若い科学研究機関であり、世界クラスの農業研究機関を構築するには長い道のりがあり、新しい時代、新しい旅路、新しい使命に基づいて取り組むだろうと述べた。 「４つの側面」を堅持し、高度な科学技術の自立を図り、「農業大国」の構築に貢献し続けます。現在、ゲノミクス研究所と深セン市の関連部門は「深セン国際フードバレー」の建設に関する提案を提出しており、この計画は市政府によって承認されている。私たちは、深センに農業・食品産業・大学・研究の協力エコシステムを構築し、農業・食品産業の変革と高度化を促進する科学技術の先駆的な模範を示します。

ゲノミクス研究所公式ウェブサイト：

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

参考文献:

[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