Геномика происхождения и эволюции цитрусовых

Чтобы исследовать генетическое разнообразие и эволюционную историю цитрусовых, мы проанализировали геномы 58 цитрусовых образцов и двух внегрупповых родов ( Poncirus и Severinia ), которые были секвенированы с высокой степенью охвата, включая недавно опубликованные последовательности 2 , 3 , 7 а также 30 новых последовательностей генома, описанных здесь. Для нашей цели мы не включаем образцы, связанные соматическими мутациями. Эти последовательности представляют разнообразные образцы цитрусовых видов, их примесей и гибридов ( Дополнительные таблицы 2, 3 а также Дополнительные примечания 1, 2 ). Наша коллекция включает образцы восьми ранее не секвенированных и / или неисследованных видов цитрусовых, таких как чистые мандарины ( Citrus reticulata ), цитрон ( Citrus medica ), Citrus micrantha (дикий вид из подрода Papeda ), Нагами-кумкват ( Fortunella margarita , также известный как Citrus japonica var. margarita ) и Citrus ichangensis (также известный как Citrus cavaleriei ; этот вид также считается папедой ), а также три вида австралийских цитрусовых ( Дополнительные примечания 3, 4 ). Для каждого вида мы секвенировали одно или несколько чистых образцов без межвидовой примеси.

Локальное сегментарное происхождение каждого образца может быть разграничено как для смешанных, так и для гибридных генотипов, на основе геномно-информативных однонуклеотидных полиморфизмов генома ( Дополнительное примечание 5 ). Сравнительный анализ генома дополнительно выявил общие гаплотипы среди образцов ( Дополнительные примечания 6, 7 ). В частности, мы демонстрируем межвидовую гибридную природу F1 из лайма Рангпур и красного необработанного лимона (два разных гибрида мандарин-цитрон), мексиканского лайма (гибрид микранта-цитрон) и каламондина (гибрид кумкват-мандарин) и подтверждаем, используя цельные данные о последовательности генома, происхождение грейпфрута (гибрид пуммело-сладкого апельсина), лимона (гибрид кислого апельсина-цитрона) и эреморанжа (гибрид сладкого апельсина и Eremocitrus glauca (также известный как Citrus glauca )). Мы также проверили происхождение грейпфрута Коктейль, с низким содержанием кислоты пуммело в качестве родительского семени и мандаринов Кинг и Дэнси в качестве двух бабушек и дедушек по отцовской линии. Аналогично подтверждается, что происхождение апельсинового апельсина является гибридом мандарина и сладкого апельсина с прародителем Клементина. Ранее мы показали, что кислый апельсин (сорта Севилья) ( Citrus aurantium ) является гибридом пуммело-мандарина, и проанализировали более сложное происхождение сладкого апельсина ( Citrus sinensis ) 2 , Повторный анализ последовательности из десяти сортов сладкого апельсина 3 показывает, что все они происходят от одного и того же генома соматическими мутациями и, следовательно, не были включены в наше исследование.

Мы определили десять прародителей цитрусовых видов ( Дополнительное примечание 4.1 ) путем объединения анализа разнообразия ( Расширенная таблица данных 1 ), многомерное масштабирование и филогения генома хлоропластов ( Расширенные данные Рис. 1b ). Первые две главные координаты в многомерном масштабировании ( Рис. 1а ) выделить три родовых (иногда называемых «фундаментальными») вида цитрусовых, связанных с коммерчески важными типами 8 , 9 - цитроны ( C. medica ), мандарины ( C. reticulata ) и pummelos ( Citrus maxima ) - и демонстрируют лимоны, лаймы, апельсины и грейпфруты в качестве гибридов с участием этих трех видов. Распределение нуклеотидного разнообразия ( Рис. 1б ) показывают различные масштабы межвидовой дивергенции и внутривидовой изменчивости и отражают генетическое происхождение каждого образца. Гибридные образцы (кислый апельсин, каламондин, лимон и неавстралийские липы) с происхождением от двух или более видов цитрусовых легко идентифицировать на основании их более высокой сегментарной гетерозиготности (1,5–2,4%) по сравнению с внутривидовым разнообразием (0,1–0,6%) , Другие цитрусовые образцы показывают бимодальные распределения в гетерозиготности (сладкий апельсин, грейпфруты и некоторые очень гетерозиготные мандарины) из-за межвидовой примеси, процесс, который обычно включает сложные обратные скрещивания. Среди чистых генотипов без межвидовой примеси цитроны демонстрируют значительно более низкое внутривидовое разнообразие (около 0,1%), чем другие виды (0,3–0,6%). Сниженная гетерозиготность цитронов, моноэмбрионального вида, вероятно, обусловлена ​​клистогамией его цветов 10 механизм, который способствует опылению и самооплодотворению в нераскрытых цветочных почках, что, в свою очередь, снижает гетерозиготность.

Рисунок 1: Генетическая структура, гетерозиготность и филогения видов цитрусовых .Чтобы исследовать генетическое разнообразие и эволюционную историю цитрусовых, мы проанализировали геномы 58 цитрусовых образцов и двух внегрупповых родов ( Poncirus и Severinia ), которые были секвенированы с высокой степенью охвата, включая недавно опубликованные последовательности   2   ,   3   ,   7   а также 30 новых последовательностей генома, описанных здесь

а , Анализ основных координат 58 образцов цитрусовых на основе парных расстояний ядерного генома и метрического многомерного масштабирования. Первые две оси разделяют три основные группы цитрусовых (цитроны, пуммело и мандарины) с межвидовыми гибридами (апельсины, грейпфруты, лимоны и лаймы), расположенными в промежуточных положениях относительно их родительских генотипов. б , графики скрининга распределения гетерозиготности в 58 цитрусовых образцах, представляющих 10 таксономических групп, а также 2 родственных рода, Poncirus ( Poncirus trifoliata , также известный как Citrus trifoliata ) и китайский апельсин ( Severinia ). Белая точка, медиана; пределы бара, верхний и нижний квартили; усы, 1,5 × межквартильный размах. Бимодальное разделение внутривидового (светло-синего) и межвидового (светло-розового) генетического разнообразия проявляется среди смешанных мандаринов и у разных генотипов, включая межвидовые гибриды. Трехбуквенные коды указаны в скобках с дополнительными описаниями в Дополнительная таблица 2 , c , Хронограмма цитрусового видообразования. Очевидны две отчетливые и хорошо разделенные во времени фазы видовой радиации: радиация цитрусовых в Юго-Восточной Азии сопровождается диверсификацией цитрусовых в Австралии. Возрастная калибровка основана на ископаемом цитрусовых C. linczangensis 16 из позднего миоцена (обозначен красным кружком). 95% доверительные интервалы получены из 200 бутстрапов. Байесовская апостериорная вероятность равна 1,0 для всех узлов. г , предполагаемое происхождение цитрусовых и древних путей распространения. Стрелки указывают на правдоподобные направления миграции родовых видов цитрусовых из центра происхождения - треугольника, образованного северо-восточной Индией, северной Мьянмой и северо-западным Юньнаном. Это предложение совместимо с цитрусовой биогеографией, филогенетическими связями, предполагаемыми сроками диверсификации и палеогеографией региона, особенно геологической историей Уолласеи и Японии. Красная звезда отмечает ископаемое местонахождение C. linczangensis . Изображения цитрусовых в c и d изображены не в масштабе.

Идентификация набора чистых видов цитрусовых позволяет по-новому взглянуть на филогению цитрусовых, их происхождение, эволюцию и распространение. Цитрусовая филогения противоречива 1 , 5 , 6 , 11 , 12 частично из-за трудности идентификации чистых или диких видов-предшественников, из-за существенной межвидовой гибридизации, которая привела к нескольким клонально размножаемым и культивируемым образцам. Некоторые авторы присваивают клонально размножающиеся генотипы отдельные обозначения видов биномиальных видов. 1 , 6 , Наша филогения, основанная на ядерном геноме, которая получена из 362 748 однонуклеотидных полиморфизмов в негенных и неперицентромерных геномных областях, показывает, что виды цитрусовых являются монофилетической группой, и устанавливает четко определенные отношения между ее линиями ( Рис. 1с а также Дополнительное примечание 8 ). Примечательно, что филогенез, полученный из ядерного генома, детально отличается от филогенеза, полученного из хлоропластов ( Расширенные данные Рис. 1 ). Это не является неожиданным, поскольку хлоропластная ДНК представляет собой единую нерекомбинирующую единицу и вряд ли продемонстрирует идеальную сортировку по линии во время быстрого облучения ( Дополнительное примечание 8.3 ).

Происхождение цитрусовых обычно считается в Юго-Восточной Азии 1 , точка биоразнообразия 13 с климатом, который был подвержен влиянию муссонов восточной и южной Азии 14 ( Дополнительное примечание 9 ). Конкретные регионы включают провинцию Юньнань на юго-западе Китая 15 , Мьянма и северо-восточная Индия в предгорьях Гималаев 1 , Ископаемый образец поздней миоценовой эпохи Линкана в Юньнани, Citrus linczangensis 16 , имеет черты, которые характерны для нынешних основных групп цитрусовых, и предоставляет определенные доказательства существования общего предка цитрусовых в провинции Юньнань приблизительно 8 миллионов лет назад (Ма).

Наш анализ устанавливает относительно быстрое азиатское излучение цитрусовых в позднем миоцене (6–8 млн. Лет; Рис. 1с, д ), период, совпадающий с обширным ослаблением муссонов и выраженным переходом климата от влажных к более сухим условиям 17 , В Юго-Восточной Азии это заметное изменение климата вызвало серьезные изменения в биоте, включая миграцию млекопитающих 18 и быстрое излучение различных линий растений 19 , 20 , Австралийские виды цитрусовых образуют особую кладу, которая, как предполагается, была вложена в цитроны 12 хотя отдельные родовые названия ( Eremocitrus и Microcitrus ) были назначены в ботанических классификациях Swingle 1 , 5 , Анализ молекулярного датирования 21 и наш филогенетический анализ всего генома не поддерживает австралийское происхождение цитрусовых 22 , Скорее, цитрусовые распространяются из юго-восточной Азии в Австралазию, вероятно, через трансокеанские расселения. Наш геномный анализ показывает, что австралийская радиация произошла в раннюю плиоценовую эпоху, около 4 млн лет назад. Это совпало с другими миграциями покрытосеменных с запада на восток из юго-восточной Азии 23 , 24 предположительно воспользовавшись возвышением Малезии и вальсеи в позднем миоцене и плиоцене 25 , 26 ( Дополнительное примечание 9 ).

Ядерная и хлоропластная филогения генома показывают, что в нашей коллекции есть три австралийских вида. Один из двух австралийских лаймов показывает явные признаки примеси с круглыми лаймами ( Дополнительное примечание 5.4 ). Ближайшим родственником австралийских цитрусовых является Fortunella , вид, который, как сообщается, растет в дикой природе на юге Китая 27 , Австралийские виды цитрусовых разнообразны и встречаются в природе как в сухих, так и в тропических лесах на северо-востоке Австралии, в зависимости от вида. 28 , Наша филогения показывает, что цитрусовые прародители, вероятно, мигрировали через линию Уоллеса, естественный барьер для распространения видов из юго-восточной Азии в Австралазию, а затем адаптировались к этому разнообразному климату.

Результаты также показывают, что мандарин Tachibana, естественным образом встречающийся на Тайване, архипелаге Рюкю и в Японии 29 расколотые от материка азиатские мандарины ( Рис. 1с, д ) в ранний плейстоцен (около 2 млн лет), геологическая эпоха с сильными ледниковыми максимумами 30 , Тачибана, как и другие виды флоры и фауны в регионе, весьма вероятно, прибыл на эти острова из соседнего материка 31 во время падения уровня моря в Южно-Китайском море и появления сухопутных мостов 32 , 33 процесс, продвигаемый расширением ледяных щитов, который периодически происходил во время ледниковых максимумов ( Дополнительное примечание 9 ).

Хотя Татибана 5 , 6 был назначен его собственный вид ( Citrus tachibana ), анализ последовательности показывает, что он имеет близкое сродство с C. reticulata 34 , 35 и не поддерживает его таксономическое положение в качестве отдельного вида ( Дополнительное примечание 4.1 ). Тем не менее, оба хлоропластного генома филогении ( Расширенные данные Рис. 1b ) и кластеризация ядерного генома ( Рис. 1а Четко отличают Татибана от материковых азиатских мандаринов. Это говорит о том, что Tachibana следует обозначить как подвид C. reticulata . В отличие от дикого Mangshan 'мандарин' ( Citrus mangshanensis ) 7 представляет отдельный вид с сопоставимыми расстояниями до C. reticulata , pummelo и citron 2 ( Расширенная таблица данных 1 ).

Новости