Neale D B. 2007. Genomics to tree breeding and forest health. Current Opinion in Genetics and Development, 17(6): 539–544.

森林樹木的基因組發(fā)現(xiàn)遵循農(nóng)作物和牲畜改良以及人類醫(yī)學的范例宝穗。使用基于基因組的育種技術可以改善馴化狀態(tài)下的林木，而使用相同技術可以管理自然和未馴化狀態(tài)下的樹木的健康。這些應用首先將樹木中的復雜性狀分解為各自的基因成分剧蚣，并且關聯(lián)遺傳學方法在樹木中非常強大绽慈。這是正確的矿微，原因有很多店印，包括大型隶糕，隨機交配和非結構化種群以及許多樹種中連鎖不平衡的快速衰退瓷产。一旦發(fā)現(xiàn)了特征關聯(lián)的標記，它們就可以用于基因組育種和森林健康診斷枚驻。樹木的初步研究發(fā)現(xiàn)候選基因中有足夠的核苷酸多樣性來進行關聯(lián)研究濒旦，單核苷酸多態(tài)性與經(jīng)濟和適應性特征有關。群體遺傳中性試驗已被用于鑒定可能在自然選擇下的基因再登，因此成為開發(fā)森林健康診斷工具的良好候選者尔邓。

引言

森林樹木基因組學研究的理由遵循農(nóng)業(yè)和人類醫(yī)學的范例。通過基于標記的（或基于基因組的）育種[1]和基因工程锉矢，農(nóng)業(yè)中的基因組發(fā)現(xiàn)被用于遺傳改良作物和牲畜梯嗽，而人類的基因組發(fā)現(xiàn)通過估計風險因素和處方藥用于改善人類健康或生活方式療法[2]。在林業(yè)中沽损，基因組發(fā)現(xiàn)將通過整合到馴化樹種群中的傳統(tǒng)育種方法來支持實木灯节，紙漿和紙，生物燃料和生物材料的樹木品種的遺傳改良[3]。然而显晶，森林樹木在世界各地也處于非馴化狀態(tài)，對植物和動物生物多樣性壹士，碳固存磷雇，清潔空氣和水以及人類娛樂等非商品價值至關重要。非馴化樹種的健康越來越受到生物（昆蟲和疾蝉锞取）和非生物（全球氣候變化和污染）因素的威脅唯笙。在森林樹木中應用基因組發(fā)現(xiàn)以增強森林健康可能成為全球重要的優(yōu)先事項，與基因組工具在人類健康改善方面的應用相平行盒使。

森林樹木的復雜特征

森林遺傳學家和樹木育種者傳統(tǒng)上一直關注多基因性狀（定量或復雜）崩掘，因為樹木中很少有重要性狀受單個基因控制[3]。一些值得注意的例外包括一些抗病基因[4]和控制冠形的基因[5]少办。因此苞慢，在設計和應用基于基因組的育種或森林健康診斷之前，必須將復雜的性狀分解為其各自的基因組成部分英妓。林木中的分子性狀解剖始于20世紀90年代挽放，引入了數(shù)量性狀基因座（QTL）定位方法。在許多物種的幾種經(jīng)濟（生長蔓纠，木材性質和抗病性）和適應性（耐冷性和物候學）性狀的QTL定位方面取得了進展[6]辑畦。然而，由于QTL位置的低圖譜分辨率和樹種群中的連鎖平衡條件腿倚，無法進行QTL發(fā)現(xiàn)的應用纯出。 2004年，Neale和Savolainen [7]提出敷燎，如果使用關聯(lián)遺傳學方法解剖復雜性狀暂筝，可以更好地設計地圖解析和育種和森林健康[8]的應用。 Neale和Savolainen [7]進一步認為懈叹，由于針葉樹的許多生活史特征乖杠，針葉林樹種應該非常適合關聯(lián)遺傳學方法。在本文中澄成，我將回顧過去三年中使用關聯(lián)遺傳學解剖復雜性狀的進展胧洒，重新審視Neale和Savolainen的預測[7]，并評論應用于樹木育種和森林健康的未來前景墨状。

核苷酸多樣性和連鎖不平衡

復雜性狀剖析的關聯(lián)遺傳學方法需要在明確定義的群體中對大量（100s卫漫，而不是1000s）個體進行基因分型和表型分析（參見下面的討論部分）。人類的早期關聯(lián)研究首先使用微衛(wèi)星（SSRs）標記;一旦人類基因組測序肾砂，這些被單核苷酸多態(tài)性（SNP）迅速取代列赎。在森林樹木中，幾年前開始對候選基因進行重新測序以發(fā)現(xiàn)SNP [9]镐确。已完成完整基因組序列的唯一林木是毛果楊[10]包吝，因此使用標準Sanger測序方法在楊樹中重新測序是直接的[11]饼煞。重測序基于表達序列標簽（EST）的引物設計，因為針葉樹不存在參考基因組序列诗越。例如砖瞧，在火炬松（Pinus taeda L.）和云杉（Picea ssp.）中，基因組數(shù)據(jù)庫中有大約20 000個單基因簇嚷狞，因此存在合理的序列資源以開始SNP發(fā)現(xiàn)块促。對于所有其他針葉樹，EST數(shù)據(jù)庫要小得多床未，并限制SNP發(fā)現(xiàn)竭翠。通常在小的（10-200）DNA樣品組上進行重測序。在針葉樹中薇搁，使用單倍體種子大配子體斋扰，因此能夠直接測定單倍型。根據(jù)重測序數(shù)據(jù)只酥，大多數(shù)研究人員已經(jīng)估計并報告了核苷酸多樣性的標準參數(shù)[9]褥实。不同物種的估計值各不相同[9]，但平均而言裂允，針葉樹基因組編碼區(qū)的SNP頻率在50個核苷酸中約為1损离，在楊樹中則略低。這是進行基于候選基因的關聯(lián)研究的充分多態(tài)性绝编。從重測序數(shù)據(jù)估計的另一個重要的群體遺傳參數(shù)是候選基因內(nèi)的SNP之間的連鎖不平衡（LD）僻澎。所有報告顯示LD的衰變速度非常快十饥，通常R2在1-2kb內(nèi)下降到<0.20 [7]窟勃。相比之下，在自花授粉的植物物種或更近代的近親繁殖生物（如人類）中逗堵，LD的衰變率是許多kb秉氧。因此早期預測基于LD的與表型相關的候選基因內(nèi)的多態(tài)性可能在功能上暗示具有該表型的特定候選基因似乎是合理的。

關聯(lián)群體中的SNP基因分型

通過在小而多樣性小組中重新測序發(fā)現(xiàn)后蜒秤，必須在大型關聯(lián)群體中鍵入SNP汁咏。需要低成本和高通量的SNP基因分型平臺，因為對數(shù)千個個體進行直接測序的成本令人望而卻步[12]作媚。該領域技術發(fā)展的快速發(fā)展使樹木的基因組規(guī)模研究成為可能攘滩。由于森林樹木的SNP頻率通常相當高，研究人員已應用tagSNP過程來識別和優(yōu)先考慮可負擔數(shù)量的SNP纸泡，以便鍵入到大型關聯(lián)群體中[13]漂问。 FP-TDI SNP基因分型檢測是森林樹木中首批使用的SNP基因分型平臺之一[14]。這是一種引物延伸型測定法，可產(chǎn)生高質量的SNP基因型調(diào)用蚤假，但吞吐量較低（500個數(shù)據(jù)點/天/個體）栏饮，成本相對較高（0.75美元/數(shù)據(jù)點）。同樣磷仰，Beckman Coulter引物延伸方法用于桉樹中的SNP基因型[15]抡爹。最近浅辙，Illumina Golden Gate檢測（http://www.illumina.com）已用于松樹和云杉莲兢。該測定可同時輸入96,384或1536個SNP超埋。吞吐量非常高（所有SNP每天500個樣品），成本相對較低（0.10美元/數(shù)據(jù)點）民逼。 Illumina Golden Gate測定雖然是樹木中SNP基因分型的一步，但仍然是人類涮帘，小鼠和其他一些系統(tǒng)（如Illumina Infinium測定法或Affymetrix MIP技術）中使用的高通量技術的一代（http： //www.affymetrix.com）拼苍。在樹木的關聯(lián)研究可以很容易地應用于基因組規(guī)模之前，需要將這些技術導入森林樹木调缨。

關聯(lián)的種群疮鲫，性狀和檢驗

到目前為止，僅發(fā)表了兩項關于樹木的關聯(lián)遺傳學研究[15,16]弦叶，盡管已經(jīng)完成了幾項大型研究或處于不同發(fā)育階段（表1）俊犯。許多不同的實驗種群可能在森林樹木中用于檢測基因型和表型之間的關聯(lián)，但那些最小化群體統(tǒng)計學和/或家庭相關性影響的實驗種群具有更大的檢測關聯(lián)的能力[17]（圖1）伤哺。此外燕侠，通過克隆或基于家庭的測試包括復制個體基因型的群體增加了表型評估的精確度。群體的大小也很重要立莉，不僅用于檢測關聯(lián)绢彤，而且準確地估計單個SNP或單倍型與表型的關聯(lián)對整體表型的影響[18]。在桉樹研究[15]中蜓耻，進行了群體結構測試茫舶，結果發(fā)現(xiàn)可以忽略不計。此外刹淌，290棵樹被認為是無關的饶氏。然而，進行表型評估的個體基因型沒有重復芦鳍，因此表型值的準確性是未知的嚷往。火炬松的關聯(lián)研究也使用了大量不相關基因型的群體（422~435柠衅，取決于性狀）皮仁，而不是那些具有一定家庭關系的群體[16]。雖然群體和家庭結構很少，但仍然采用了更正贷祈，以防止任何錯誤關聯(lián)的可能性趋急，因為困擾了人類關聯(lián)研究。關聯(lián)群體中的每個個體成員都是克隆復制的势誊，因此表型評估的精確度非常高呜达。
關聯(lián)遺傳學的一個值得注意的缺陷是，由于執(zhí)行了許多獨立的統(tǒng)計測試（稱為多重測試）粟耻，檢測到的假陽性關聯(lián)率相對較高查近。在上述兩項研究中，均采用了標準修正;桉樹研究中的Bonferroni和火炬松研究中的錯誤發(fā)現(xiàn)率方法挤忙。在候選基因SNP和木材性質表型之間測試關聯(lián)霜威。在桉樹中，在肉桂酰CoA還原酶（CCR）基因中發(fā)現(xiàn)了25個SNP册烈，并且兩個單倍型與微纖絲角（MFA）顯著相關（表1）戈泼，這是確定纖維和木材強度的性狀。在火炬松研究中赏僧，用20個候選基因（總共58個SNP）測試了MFA和幾種其他木材性狀特征大猛。在該研究中CCR與MFA沒有顯著相關性，但α-微管蛋白是顯著的（表1）淀零。在火炬松研究中挽绩，個體關聯(lián)的影響大小通常很小（R2 = 0.13-0.35）驾中。這肯定了樹木中重要性狀的多基因性質以及需要對基因組進行全面掃描以解釋這些性狀的種群變異琼牧。
在最近的一項研究中，Gonzalez-Martinez及其同事（表1）使用了具有復雜家族結構的群體哀卫，因此使用定量傳遞不平衡檢驗（QTDT）來測試候選基因與碳同位素比率之間的關聯(lián)巨坊，碳同位素比率是水利用效率的量度。 QTDT旨在測試父母和后代產(chǎn)生的數(shù)據(jù)中的關聯(lián)此改。檢測到幾種候選基因關聯(lián)趾撵，包括脫水蛋白基因，細胞壁蛋白（lp5）共啃，Cu / Zn超氧化酶歧化酶和wrky樣轉錄因子占调。同樣，Ersoz使用相同的群體來測試與兩種疾病表型的關聯(lián)移剪，但使用病例對照測試來檢測受影響和未受影響的克隆之間的關聯(lián)（表1）究珊。這些研究均證明了在樹木中進行關聯(lián)研究以精確剖析復雜性狀的可行性，然而纵苛，在每種情況下剿涮，都考慮了很小比例的變異言津。
該結果的主要原因是僅測試與每種表型相關的基因太少。最近已經(jīng)完成了對火炬松中8000個候選基因的重測序和SNP發(fā)現(xiàn)（http://dendrome.ucdavis.edu/adept2）取试，并且正在許多森林樹種中進行或計劃了相似規(guī)模的項目悬槽，所以時間已接近幾乎所有樹種群中的分離變異都將被檢測到。然后開始編寫所有表型變異并將其與基因型相關聯(lián)的更困難的任務瞬浓。

基于基因組學的育種

一旦基因型（標記）通過表型（性狀）關聯(lián)在實驗群體中被發(fā)現(xiàn)和驗證初婆，應該有可能快速將基本發(fā)現(xiàn)轉移到應用于操作性樹木育種計劃中。樹木育種通常涉及在每個育種周期中的輪回選擇和種群改良猿棉，每個周期可能需要許多年[3]磅叛。在樹木中，繁殖種群的組成通常較大且遺傳多樣萨赁，而在許多農(nóng)業(yè)作物中宪躯，通常有限的基因型數(shù)量的種系繁殖。這需要通過性狀關聯(lián)的標記不在每個周期重組位迂，這是樹中的可能條件，因為群體中LD的量非常低并且標記之間的染色體上預期的非常短的物理距離和數(shù)量性狀基因座中的等位基因變異∠耆穑現(xiàn)在掂林，這種期望正在美國的一個大型轉化基因組學項目中進行實驗測試（http://www.pinegenome.org/ctgn）。如果符合預期坝橡，可以驗證特征關聯(lián)的標記泻帮，那么應該可以在循環(huán)選擇育種計劃中直接使用這些關聯(lián)，并且這些關聯(lián)不會因為連續(xù)世代的重組而分解计寇。然后樹木育種者可以直接使用基因組選擇進行種群改良锣杂，或者更可能的是，使用指數(shù)選擇方法將基因組選擇和傳統(tǒng)表型選擇結合起來番宁，以最大化每單位時間的遺傳增益元莫。未來五年轉化基因組學研究的進展將決定這一目標是否能夠實現(xiàn)。

適應蝶押，保護和森林健康

當代群體遺傳理論提供了新的工具（統(tǒng)計學）踱蠢，僅僅根據(jù)DNA序列中包含的信息檢測種群中自然選擇的存在[19]。這種發(fā)展已被用于更好地了解人類進化和人類疾病[20]棋电，但也有可能監(jiān)測和管理森林樹種的健康茎截。已經(jīng)設計了許多選擇試驗（中性試驗），其中許多試驗最近已應用于來自林木的DNA序列數(shù)據(jù)（表2）赶盔。這些早期報告表明企锌，樹種群中的個體基因可能處于某種形式的自然選擇（即凈化，定向于未，平衡等）撕攒。到目前為止陡鹃，只能通過共同的花園研究[36]在復雜性狀水平上推斷選擇，但在控制這些性狀的個體基因水平上無法檢測到〈蛉矗現(xiàn)在杉适，通過結合遺傳學將單個基因和群體遺傳理論的復雜特征剖析出來進行選擇測試，似乎可以開發(fā)出診斷工具來監(jiān)測和管理森林健康柳击。例如猿推，假設可以鑒定確定諸如干旱耐受性的復雜適應性性狀的個體基因，并且還可以確定等位基因對表型的影響并估計其在群體中的頻率捌肴〉虐龋可以開發(fā)診斷工具來估計與某些人群中干旱增加相關的風險因素。與人類醫(yī)生一樣状知，森林管理者可以積極主動地使用這些信息來規(guī)定可改善森林健康或至少防止衰退的管理政策秽五。雖然在范圍上有些未來，但人類基因組努力所產(chǎn)生的快速發(fā)展的技術和理論將這一激動人心的情景帶入了合理的范圍饥悴。

結論

實驗結果證實坦喘，關聯(lián)遺傳學方法是解剖樹木復雜性狀的一種非常有效的方法。到目前為止西设，已發(fā)表的研究顯示SNP與重要性狀之間存在正相關瓣铣，但影響的大小很小，只占控制特性的總變異的一小部分贷揽。這僅僅是因為篩選候選基因的現(xiàn)有成本和通量限制棠笑。幸運的是，這種情況正在迅速發(fā)生變化禽绪，一些大型項目正在進行中蓖救，篩選出數(shù)千個候選基因。在具有參考基因組序列的毛果楊（Populus trichocarpa）中印屁，應該可以很容易地重新測序整個基因組循捺。很快，在許多重要的樹種中雄人，大多數(shù)重要的經(jīng)濟和適應性特征將被發(fā)現(xiàn)巨柒。基因組育種方法的發(fā)展應該迅速發(fā)展柠衍。開發(fā)森林健康診斷工具需要更長的時間洋满，但實現(xiàn)這一目標的全球重要性應該激勵研究人員和資助計劃。