基于 Susan R. McCouch 同期的兩篇文獻學習一下單基因的進化分析，一篇是發(fā)表在 PNAS 上關于水稻香味基因 BADH2 的分析驳规，另一篇是發(fā)表在 Genetics 上關于水稻粒形基因 GS3 基因的分析疗疟。

一赘娄、 BADH2?

關于 BADH2 基因的背景介紹

水稻的芳香性（fragrance）是影響稻谷品質的一個重要影響因素恬吕。早先正向遺傳學的研究定位到了一個影響水稻香味的主效基因?BADH2铃在，該基因中一個 8 bp 的缺失變異造成基因的移碼突變和提前終止叔磷，從而產生香味拢驾。回補正掣幕基因可導致香味消失繁疤，香味是隱性性狀。

基于過往的許多研究，水稻可以清楚地劃分為六個品種群：indica, aus, temperate japonica, tropical japonica, aromatic and rayada稠腊。其中案疲，indica 和 aus 屬于秈稻亞種，其余 4 個品種群屬于粳稻亞種麻养，這是水稻中類群的基本劃分褐啡。

含有芳香性氣味（fragrance）的水稻不僅在我們常說的香稻/香米（aromatic ）中被發(fā)現(xiàn)，aromatic 只是含香味水稻的一類鳖昌，包含常說的 Basmati 和?Sadri 品種备畦。迄今，至少在 3 個品種群中發(fā)生了芳香水稻的存在许昨，除了 aromatic 之外懂盐，在 indica 和?tropical japonica 中也有報道。

研究目的

The goal of this study was to investigate the origin of this allele and trace its ancestry among the genetically divergent subpopulations of rice.

We also set out to identify additional functional mutations in the BADH2 gene that may be responsible for independent, local origins of the fragrant phenotype.

研究方法

文章的思路并不復雜糕档，主要分為以下幾個步驟：

選擇研究材料莉恼；調查研究材料中 BADH2 基因中 8 bp 缺失（badh2.1）的存在情況；追溯?badh2.1 等位的起源和擴散路徑速那；選擇分析俐银；BADH2 基因的其它突變。

1）研究材料

280 accessions of wild rice (Oryza rufipogon/Oryza nivara)

絕大多數(shù)樣本都不包含 badh2.1 等位端仰，僅有一份樣本在 BADH2 基因位置是雜合狀態(tài)捶惜，進一步調查發(fā)現(xiàn)該樣本表現(xiàn)出了一些馴化特征，應該是和水稻雜交后的產物荔烧≈ㄆ撸可以推斷，野生稻中不存在 badh2.1 等位鹤竭。

176 O. sativa accessions

先前研究基于 SSR 標記堅定了這些樣本的分類（正文圖一）踊餐。樣本的鑒定對于群體遺傳學的研究至關重要，作者在這一方面還是蠻嚴謹?shù)摹?/p>

在這些水稻中臀稚，17 份樣本中鑒定到了?badh2.1 等位吝岭。

2）badh2.1 等位的起源（重頭戲）

作者在這部分進行了單倍型分析。接下來的分析是分步驟進行的烁涌，這個次序對于邏輯思路的理解很關鍵苍碟。

首先，作者調查了基因附近 5 kb 的序列撮执，鑒定到 106 個變異微峰，其中 54 個為非稀有突變（frequency >5%），這一步相當于對位點進行了過濾抒钱，去除噪音蜓肆。

剩余的位點構成了 8 個單倍型颜凯。

在關注目標變異（8 bp deletion）之前，作者基于 STRUCTURE 分析對整個單倍型進行了聚類仗扬，K=2 時最優(yōu)症概，第一個 cluster 中包含了野生型，第二個 cluster 中 74% 的成分都是 Indica 亞種早芭，故分別命名為 Jap_GH 和 Ind_GH彼城。

然后再看目標變異（8 bp deletion），重點關注的有兩個點退个，1）僅有一種單倍型（bahd2.1）攜帶了 8 bp 的丟失募壕，表明 bahd2.1 等位是單次起源；2）?bahd2.1 落在了 Jap_GH group 中语盈，表明其起源于 Japonica-like 的遺傳背景舱馅。

（這里作者的描述很準確，使用了?Japonica-like 的描述）

在這里刀荒，BADH2 基因樹和物種樹出現(xiàn)了沖突代嗤，帶有香味的 indica 中攜帶了的 Japonica like 的BADH2 基因。是不是漸滲造成的呢缠借？

為了驗證干毅，作者擴大了單倍型分析的范圍，上下游延伸了共計 5.3 Mb 的區(qū)域烈炭，共計檢測到了 426 個變異位點溶锭，其中 271 個變異位點的頻率大于 0.05，為了減少單倍型的數(shù)目符隙，從中鑒定到了 78 個 ancestrally informative polymorphisms。

ancestrally informative polymorphisms 確定的標準：1）秈稻亞種和粳稻亞種之間存在顯著的頻率差異垫毙；2）群體內頻率在 20% 以上霹疫。

可以明顯看出，indica 中芳香性的 badh2.1 等位來自漸滲综芥。同樣地丽蝎，部分非芳香粳稻在 BADH 基因位點和秈稻聚到了一起，從擴展單倍型圖中可以明顯看出這部分粳稻的 BADH 基因同樣來自漸滲膀藐。

而且屠阻，單倍型主要可以分為 6 種，攜帶芳香氣味的水稻可以分為 3 類额各，基于 3 個綠色的多態(tài)位點国觉，可以判斷 indica 中芳香性的 badh2.1 等位來自于 aromatic。

3）選擇的作用

為了探究 badh2.1 基因型在馴化過程中是否受到了人工選擇虾啦，作者計算了兩個指標麻诀，一是最常見的多態(tài)性降低痕寓，即是否產生了 sweep；二是計算 Extended haplotype homozygosity (EHH)蝇闭，即隨機選擇的基因組區(qū)域在遺傳上一致的區(qū)域長度呻率。

關于選擇信號的檢測，我之前單獨介紹過一篇綜述呻引，詳見：基因組選擇信號檢測

結果表明礼仗，badh2.1 等位基因所在附近 5 kb 序列范圍內多態(tài)性急劇降低（表二）；badh2.1 中FNP 附近表現(xiàn)出了延伸的 extended LD逻悠，而 BADH2 基因附近 LD 急劇降低元践。

以上顯示出?badh2.1 受到了強烈的正選擇。

4）BADH2 上的其它功能突變

部分有芳香氣味的水稻 BADH2 基因并不含之前報道的 8 bp deletion（badh2.1）蹂风，為了檢測是否是該基因的其它變異影響的性狀卢厂，作者對 26 份芳香氣味水稻的 BADH2 進行了檢測，發(fā)現(xiàn)了 5 種不同的功能突變惠啄，以及一些不確定是否影響基因功能的變異慎恒，包含這些變異的材料具有明顯的特定地理分布。

此外撵渡，有 2 份材料沒有發(fā)現(xiàn)可能引起?BADH2 基因表達水平升高的變異融柬。

總結：

文章科學問題明確，內容嚴謹趋距，邏輯清晰粒氧，結構工整。結果部分清楚地分為了 4 節(jié)节腐，而且所下的結論也并不冒進外盯，有待商榷的點都放進討論中了。

文章討論部分分為了 3 節(jié)翼雀，第一部分是探討 badh2.1 的起源饱苟；第二部分根據(jù)文章最后一節(jié)的結果探討了 BADH2 多個功能突變的獨立起源；第三部分從一個更寬廣的角度狼渊，層層遞進箱熬，結合了其它基因如 Rc、GS3 基因的研究狈邑，發(fā)現(xiàn)許多水稻中鑒定到的衍生等位基因在水稻中具有單一起源的證據(jù)城须，但由于漸滲在秈稻和粳稻之間共享。本研究的 BADH 基因同樣如此米苹，凸顯了雜交和基因流在水稻進化過程中的重要性糕伐，與此同時，相反的力量位置了秈粳亞種之間的分化驱入，未來需要更多的研究來增加我們對此過程的認識赤炒。

二氯析、GS3

本文對 GS3 的研究，和 BADH2 基因的研究策略相似莺褒，同樣是從正向的手段出發(fā)掩缓，確定 FNP 后研究基因的起源和進化歷史。

不同的是遵岩，本文第一步部分是通過 QTL mapping 確定了目標基因你辣，并通過轉基因實驗確定了 FNP 的作用，但由于該基因先前已被報道尘执，盡管之前的研究并未對此做功能實驗驗證舍哄，但不是首發(fā)，重要性和意義有所下降誊锭，不過本文的重點并不在此表悬，故我也不對背景部分做過多介紹，從基因的進化分析部分開始講起丧靡。

需要了解的是本研究確定了 GS3 上一個 SNP（C165A）會影響水稻的粒形蟆沫。

1）材料調查

本文作者調查的范圍進一步增加，出了野生稻 O. rufipoogn / O. nivara 外温治，還調查了稻屬的其它物種饭庞，結果表明造成粒長增加的 A 等位存在于野生稻，但不存在于稻屬其它物種熬荆，栽培稻中該等位存在于調查的所有品種群中舟山，但不同品種群中等位基因頻率存在差異。

2）關聯(lián)分析

首先卤恳，作者對該等位的基因型和種粒表型進行了關聯(lián)分析累盗，發(fā)現(xiàn)和栽培稻不同的是，盡管野生稻中存在 A 等位的突變突琳，但該突變似乎并不會影響種粒表型幅骄。

栽培稻中該基因和粒長、粒寬本今、粒長寬比均存在顯著關聯(lián)。

結果表明主巍，GS3 的效應和遺傳背景有關冠息，在栽培稻和野生稻遺傳背景下可能有著不同的功能。

進一步地孕索，作者對不同品種群進行了 GS3 基因和表型的關聯(lián)分析逛艰。相同 GS3 基因等位的情況下（均為 C），不同品種群之間的粒長仍存在差異搞旭，表明除了 GS3 之外散怖，仍有其它位點影響該性狀菇绵。但當 GS3 基因中為 A 等位時，不同品種群中粒長不存在差異了镇眷，GS3 基因掩蓋了其它造成粒形變異位點的影響咬最。

此外，GS3 對于粒長的表型解釋方差在不同品種群中存在差異（見下表）欠动；對于粒寬永乌，僅在 indica 中存在顯著關聯(lián)，對于粒長寬比具伍，僅在 indica 和 aromatic 中存在顯著差異（附表）

3）單倍型分析（重頭戲）

GS3 基因相較于 BADH2翅雏，表型效應稍顯復雜，對此有一個基本認識后人芽，開始分析該基因的單倍型望几。同樣，要注意其中的步驟次序萤厅，觀察邏輯關系橄抹。

基于 54 份種質，擴增基因附近 6.57 kb 的序列祈坠，共鑒定到 114 個變異位點害碾。篩選等位基因頻率大于 0.05 的位點，共得到了 70 個變異位點的 14 個單倍型赦拘。

先不管 FNP慌随，不包含 FNP 的 11 個單倍型，基于?STRUCTURE 可以分為 2 個 cluster躺同，同樣根據(jù)成分中比較高比例的樣本分為 Jap_GH 和 Ind_GH阁猜，有 2 個單倍型混雜了兩種成分被劃分為 admixed。

再來看 FNP蹋艺，包含 FNP 的有 3 種單倍型剃袍，一種（GH12）和 Jap_GH 一致，兩種（GH13 和 GH14）和 admixed 聚到一起捎谨。GH12 和 Jap_GH1 僅在 FNP 存在差異民效，因此可以推測 GH1 應該是?C165A 變異的直接祖先。

三種含 FNP 的單倍型在 GS3 基因具有共同的遺傳來源涛救，為了探究秈稻和粳稻中長粒表型是否是單次 Japonica-derived 的突變畏邢，作者使用了更大范圍的樣本（56 A-allele 和 116 C-allele 的樣本），檢測了更廣泛的區(qū)域（66.2 Kb）检吆。

共檢測到 30 種擴展單倍型舒萎，其中 4 種包含 FNP。

不包含 FNP 的單倍型可以歸為 3 類蹭沛，Jap_GH臂寝、 Ind_GH 和 Aus_GH章鲤。

包含 FNP 的單倍型，91% 是 EH31 單倍型咆贬，和 Jap_GH 聚在一起败徊，和上面 G12 的情況一致。EH32 和 EH31 只有一個位點差異素征，同樣屬于 Jap_GH集嵌。

EH33 和 EH34 則是重組類型，盡管被納入到 Ind_GH 中御毅，但 GS3 基因附近仍是粳稻類型根欧。

結果表明，所有攜帶 FNP 位點的材料 GS3 基因附近都和?ancestral Japonica 密切相關端蛆，該變異是源自?Japonica gene pool 或?Japonica-like ancestor凤粗，通過漸滲到秈稻。

4）粳稻亞種內 C165A 變異的起源

為了探究該變異在 temperate japonica今豆、tropical japonica 和 aromatic 哪個類群中起源嫌拣，作者對單倍型做了進一步分析。

首先來看 aromatic呆躲，在上面的單倍型圖（B）中异逐，aromatic 中既有 A 類型，又有 C 類型插掂。C 類型的樣本均包含 1 一個 SNP（S306）灰瞻，該變異位點不存在于其它所有類群。然而辅甥，A 類型的樣本沒有任何一份種質攜帶有該 SNP酝润，表明 aromatic 中的 A 突變是由另一個 Japonica ancestor 漸滲過來的。

temperate 和?tropical japonica 由于缺少多態(tài)性璃弄，無法進一步區(qū)分要销。

5）選擇分析

這部分同 BADH2 的研究相同，計算了 多態(tài)性和 EHH 兩個指標夏块。

基于 C165A 位點的等位類型疏咐，將材料分為兩類，C 類型的多態(tài)性遠高于 A 類型脐供；后者位點附近的 LD decay 下降的速度較慢凳鬓。

6）水稻和 O. rufipogon 之間在 GS3 位點的基因流

前部分內容曾發(fā)現(xiàn)野生稻部分樣本中存在 C165A 變異，為了探究這些樣本代表了 GS3 的祖先來源患民，還是水稻漸滲回去的，其一垦梆，作者計算了野生稻中兩種等位樣本的多態(tài)性匹颤，發(fā)現(xiàn)含 A 等位的樣本多態(tài)性是 0仅孩，而 C 等位多態(tài)性位為 0.00883；其二印蓖，野生稻 A 等位樣本中 GS3 附近的單倍型均為 EH31辽慕。

如果野生稻中是祖先，那多態(tài)性應該較栽培稻 A 等位樣本要高赦肃，但事實并非如此溅蛉。因此，作者推測野生稻中的 A 等位為栽培稻漸滲他宛。

總結：

文章邏輯清晰船侧，內容嚴謹。同之前的文章一樣厅各，針對野生稻中的異常樣本镜撩，并未略過，而是深入分析了該現(xiàn)象產生的原因队塘，雜交或者漸滲袁梗。

在討論中，作者也對其中多個有意思的點進行了探討：1）野生稻中 A 等位沒有表型效應憔古，表明該基因并非馴化早期基因遮怜；2）即使是栽培稻中，含 A 等位的不同品種群鸿市，表型仍有差異锯梁，八日后還有哪些基因對此負責，值得進一步探究灸芳；3）野生稻和栽培稻之間存在基因流涝桅，和 badh2.1 以及 sh4 基因報道的情況一致；4）A 等位起源于 Japonica ancestor烙样，秈稻中是漸滲而來冯遂，在粳稻中，熱帶粳稻中頻率遠高于溫帶粳稻谒获，可能是起源于熱帶粳稻蛤肌。5）探討了 GS3 在控制種粒大小時可能的遺傳途徑；6）和 GW2 之間的相互作用無法解釋品種群間粒形大小的差異批狱。

以上兩篇文章的分析方法很相似裸准，內容翔實可靠，多個基因的類似分析對于我們理解馴化過程是有增益的赔硫。