포도 맛에는 비밀이 있습니다. 농업 과학 아카데미는 기계 학습을 사용하여 유전자 도입 과정을 밝힙니다.
내용을 한눈에 보기:유전자 도입은 포도의 길들여짐과 유전적 개량과 밀접한 관련이 있습니다. 이전 연구에서는 야생 포도 유전자가 유럽 재배 포도에 유입되는 유전체 신호를 밝혀냈지만, 이러한 유입 사건의 시기, 방식, 유전체 패턴 및 생물학적 효과는 심층적으로 연구되지 않았습니다. 본 논문에서 중국 농업과학원 산하 선전 농업 유전체학 연구소의 연구진은 기계 학습을 기반으로 한 집단 유전학 분석 방법을 사용하여 재배 포도와 야생 포도의 재시퀀싱 데이터를 분석했습니다. 이는 포도 육종에 매우 중요한 의미를 갖습니다.
키워드:유전자 도입 포도 재배 기계 학습
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유전자 도입은 유전자가 한 종이나 집단에서 다른 종이나 집단으로 도입되는 과정을 말합니다.이는 일반적으로 서로 다른 종 간의 교잡과 역교배 과정에서 발생합니다. 유전자 침투에서 외래 유전자는 교잡을 통해 표적 종의 유전자 풀에 들어가 표적 종의 본래 유전자와 섞인다.이러한 유전자 침투는 표적 종의 유전체에 변화를 일으켜 새로운 유전적 변이와 다양성을 획득할 수 있습니다.
포도 유전자 도입은 야생 포도(Vitis vinifera ssp. sylvestris)와 재배 포도(V. vinifera ssp. vinifera) 사이의 유전자 교환 및 유전자 흐름 과정을 말합니다.자연의 영향과 인공적 선택으로 인해 야생 포도와 재배 포도 사이에 유전자 교환이 일어나고, 그 결과 재배 포도에 야생 포도의 유전적 특성이 나타나게 됩니다.
최근 중국 농업과학원 산하 선전 농업 유전체학 연구소의 연구진은 가축화된 포도와 야생 유럽 품종 간의 유전자 도입 역사를 연구했습니다. 그들은 머신 러닝 기반의 인구 유전학적 접근법을 사용하여 포도 풍미 형성 메커니즘을 밝혀냈고, 포도 풍미 형성의 유전적 특성과 포도 육종에 미치는 영향에 대한 심층적인 통찰력을 제공했습니다.현재, 해당 연구 결과는 "포도 재배에서의 적응성 및 부적응성 유전자 도입"이라는 제목으로 미국 국립과학원 회보에 게재되었습니다.
연구 결과는 미국 국립과학원 회보(Proceedings of the National Academy of Sciences)에 게재됐다.
서류 주소:
https://www.pnas.org/doi/abs/10.1073/pnas.2222041120
데이터세트
연구진은 야생 포도의 광범위한 지리적 분포 범위를 포괄하여 와인용 포도와 식용 포도를 포함한 345개의 시퀀싱된 샘플을 분석했습니다.여기에는 유럽의 72종 야생 포도 종(V. vinifera ssp. sylvestris), 중동 및 코카서스의 36종 야생 포도 종, 231종 가축 포도 종(V. vinifera ssp. vinifera)과 북미 외군 종을 나타내는 Vitis californica(n = 3) 및 Muscadinia rotundifolia(n = 3)가 포함되었습니다. 또한 연구진은 유럽과 근동의 예상 분포 지역을 조사하기 위해 유럽산 야생 포도를 샘플링했습니다.
데이터(게놈 시퀀스, 스크립트)는 GitHub에 저장되었습니다.
https://github.com/zhouyflab/Grapevine_Adaptive_Maladaptive_Introgression
실험 결과
유입의 역사
먼저 연구진은 유럽산 야생포도, 와인용 포도, 식용포도의 차이점을 평가하여 개체군과 가축화 역사에 대한 통찰력을 얻었습니다.특히, 야생 유럽 포도(EU sylvestris)는 와인용 포도와 혼합 성분을 거의 공유하지 않는 독특한 그룹을 형성합니다.
그림 1. 다양한 포도 품종 비교
에이:혼합 분석의 계통수.
계통발생학에서 가지의 색깔은 서로 다른 그룹을 반영합니다: ME 1은 노란색입니다; ME 2, 보라색; 야생 포도, 붉은 갈색; 와인용 포도, 파란색; 녹색 포도. 혼합물 그래프, K = 6. 그림의 오른쪽에 있는 붉은 점과 파란색 삼각형은 각각 식용 그룹과 와인 제조 그룹의 엽록체나 미토콘드리아가 유럽 야생 포도에서 유래했는지 여부를 보여줍니다.
비:5개 그룹의 PCA.
기음:5개 그룹의 이형접합성.
디:다양한 전파 유형에 따른 순방향 시뮬레이션 결과입니다. 파란색 선은 교배를 나타내고, 주황색 선은 클론 생식을 나타냅니다.
그림 1은 와인용 포도와 식용 포도가 진화 초기에 갈라져 나갔음을 보여주며, 이는 두 포도가 서로 다른 용도를 가지고 있음을 나타냅니다. 야생 포도 샘플도 단계통군을 보였지만, 유럽 야생 포도(EU), 카스피해 주변의 포도(ME 1), 지중해 근처의 비옥한 초승달 지대 포도(ME 2)의 세 그룹으로 나뉘었습니다. 이러한 인구 간의 차이는 주성분 분석(PCA)과 조상 구성 요소의 비율 추정을 통해서도 확인되었습니다.와인용 포도와 식용 포도(둘 다 0.24)의 이형접합성은 야생형(유럽 0.17, ME1 0.20, ME2 0.22)보다 높았는데, 이는 역사적 유전자 도입 사건과 장기간의 무성생식에 의해 발생한 이형접합성 돌연변이의 축적 때문일 수 있습니다.
유전자 도입 방향
연구진은 초기 모델을 기반으로 식용포도, 와인용 포도, 유럽산 야생포도 사이의 유전자 흐름 패턴을 34가지로 추정했습니다.가장 좋은 모델을 기반으로, fastsimcoal은 유럽의 야생 포도가 약 4만 년 전에 분기되었다고 추론했습니다.
그림 2: 침투 검정
수평 가지의 시간(T)은 각 그룹의 발산 시간(년)이고, Ti는 추정된 유입 시작 시간을 나타냅니다.
하단의 숫자는 각 그룹의 추정 유효 인구 규모(Ne)입니다.
그림 2는 가장 좋은 모델에서 fastsimcoal이 EU 그룹이 약 4 × 104년 전에 분기되었다고 추론했다는 것을 보여줍니다. 식용 포도의 길들여짐은 1.5 × 104년 전에 시작되었습니다. 그리고 약 1.0 × 104년 전에 식용 포도에서 와인용 포도가 분리되었습니다. 모델에 따르면 유럽의 야생 및 가축화된 개체군 사이의 유전자 흐름은 1.8 × 103년 전에 시작된 것으로 나타났습니다.또한 최적 적합 모델은 유럽 야생 개체군에서 가축화된 개체군으로 유전자가 흐를 확률이 높았으며, 와인용 포도로의 이동률(1.7 × 10−4)이 식용 포도(3.8 × 10−5)로의 이동률의 5배에 달한다는 사실도 보여주었습니다.
침투 지역
연구진은 기계 학습 방법을 사용하여 포도나무 유전체의 유전자가 침투한 영역과 이 영역의 유전체적 특징을 식별했습니다.
그림 3:유입된 영역의 3개 유전자
Filet이 예측한 가정된 유전자 침투 영역은 19개 염색체에 검은색 선으로 표시되어 있습니다.
세 가지 색상은 세 개의 유전자 침투 영역의 유전자를 나타냅니다.
빨간색:개화 관련 유전자
녹색:향기 화합물 관련 유전자
파란색:스트레스 반응 유전자.
연구진은 전체 유전체에 걸쳐 침투 선택 유전자에 대한 GO 기능 연구를 수행했습니다.그리고 개화 관련 유전자, 풍미 관련 유전자, 스트레스 반응 관련 유전자에 초점을 맞춥니다.그림 3은 개화와 관련된 많은 유전자가 유전자 도입 후 선택되었고, 그 다음으로 방향족 화합물과 관련된 유전자가 선택되었음을 보여줍니다. 대부분 GO 카테고리의 풍부함은 리그닌 분해 과정, L-페닐알라닌 분해 과정, 계피산 생합성 과정을 포함한 풍미와도 관련이 있습니다.따라서 연구자들은 와인용 포도와 유럽산 야생 포도 사이의 적응적 유전자 이입이 주로 풍미 관련 특성에 영향을 미쳤다고 추론합니다.
대립유전자의 침투 역학을 이해하려면연구자들은 외래 교배에서 클론 생식으로의 유전자 이입에 대한 순방향 시뮬레이션을 수행했습니다.
그림 4:비도입 및 도입된 영역에서 유익한 SNP와 유해한 SNP의 SFS
이자형:전체 유입된 집단에서 유입된 대립유전자의 총 수
에프:전체 유입된 집단에서 유입된 다양한 유형의 대립유전자 수
G:500세대 교배군에서 도입된 유익 및 유해 대립유전자의 SFS
시간:클론 그룹의 500세대에 도입된 유익한 대립유전자와 유해한 대립유전자의 SFS
연구 결과, 교잡 후, 유익한 대립유전자와 유해한 대립유전자를 모두 포함한 총 유전자 도입 수는 평형 상태에 도달할 때까지 증가하는 것으로 나타났습니다. 이러한 시뮬레이션은 클론 시스템과 이종교배 시스템 간에 유입된 대립유전자의 양상이 상당히 다를 수 있음을 시사합니다. 유전자 도입은 유익한 변종과 해로운 변종을 모집하는 데 중요한 역할을 하며, 이는 포도 재배에서 게놈 설계의 주요 목표가 될 수 있으며, 여기에는 유성 생식 중에 잠재적으로 해로운 변종을 제거하는 것도 포함됩니다.
AGIS: 농업 기술 혁신에 집중
이 논문의 저자 중 다수가 중국 농업과학원 산하 선전 농업 유전체학 연구소 출신이라는 점은 주목할 만합니다.게놈학 연구소는 2014년에 설립되었습니다. 이 연구소는 생물학과 빅데이터 과학을 통합하여 농업 생물학적 게놈을 이해하고 활용하여 전 세계 농업 생산에 기여하고 있습니다.게놈학 연구소의 장기 비전은 파괴적 혁신을 통해 지속 가능한 글로벌 농업을 촉진하고, 개인화된 식량 공급 시스템을 제공하며, 인간의 건강과 농부의 사회적 지위를 개선하는 것입니다.
게놈학 연구소는 Science, Nature, Cell 등 최고 학술지에 620편 이상의 SCI 논문을 출판했으며, 농업 게놈학 등 연구 분야에서 세계를 선도하고 있습니다.이 연구소는 포도의 유전자 유입 문제를 연구했을 뿐만 아니라, 포도 유전자와 관련된 두 가지 다른 연구 결과도 발표했습니다. 국내외 학자들과 협력하여 최초로 포도의 완전한 유전체 지도를 작성했을 뿐만 아니라, 야생 포도의 피어스병 저항성에 대한 전 유전체적 효과와 기후 적응 메커니즘을 밝혀냈습니다.
원장은 게놈연구소가 아직 매우 젊은 연구소이며, 세계적인 농업연구소로 거듭나기 위해서는 갈 길이 멀다고 말했다. 우리는 새로운 시대, 새로운 여정, 새로운 사명을 바탕으로, "4대 방면"을 견지하여 높은 수준의 과학기술 자립을 실현하고, "농업 강국" 건설에 지속적으로 기여할 것입니다. 현재 유전체학연구소는 선전시 관련 부서와 함께 "선전 국제식품밸리" 건설을 공동으로 제안했습니다. 이 계획은 지방 정부로부터 승인을 받았습니다.선전에 농업 및 식품 산업-대학-연구 협력 생태계를 구축하고, 과학과 기술이 어떻게 농업 및 식품 산업의 변혁과 업그레이드를 촉진할 수 있는지에 대한 선구적 사례를 제공할 것입니다.
Genomics Institute 공식 웹사이트:
https://www.agis.org.cn/index.htm
참고문헌:
[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