瑞典挪威云杉与欧洲赤松种子园的遗传多样性及花粉污染解析

2022年6月1日，瑞典于默奥大学王晓茹教授团队在Forestry Research期刊在线发表了一篇题为Genetic diversity and background pollen contamination in Norway spruce and Scots pine seed orchard crops的文章，利用基因分型测序（GBS）对传统林木遗传育种中种子园遗传多样性及花粉污染等核心问题进行了全基因组水平的高精度分析，为针叶树种子园管理提供了重要的理论参考。

研究背景

研究结果

本研究样本材料选自瑞典北部和南部的3个欧洲赤松种子园、3个挪威云杉种子园、3个欧洲赤松天然林、7个挪威云杉天然林，共3300株个体（图1）。基于GBS测序，分别从欧洲赤松、挪威云杉中检测到6736、5622个高质量SNP位点，用于后续遗传分析。

基于观测杂合度（Ho）、期望杂合度（He），相比于挪威云杉（Ho=0.231~0.282），欧洲赤松种子园、天然林皆表现为更高的遗传多样性（Ho=0.296~0.363）（图2a-b、d）；同时，挪威云杉和欧洲赤松的天然林、种子园之间的遗传多样性相比较，皆表现为天然林高于种子园（图2a-b、d），表明人工选择确实会丧失一部分遗传多样性。种子园的近交程度相对于天然林有所提高（图2c-d）；同时，四组群体的近交系数（Fis）皆接近0，并无强烈的近亲繁殖信号，所有种子园的自交率都很低（2-6%），可以确定这四个组群皆为随机交配群体。

图2 挪威云杉、欧洲赤松种子园和天然林的遗传多样性比较

基于种子园、亲本、天然林的遗传多样性主成分分析（PCA）（图3），发现挪威云杉和欧洲赤松之间存在明显的差异。挪威云杉在PC1上呈现出明显的群体遗传结构，种子园、亲本、天然林不同种群间可以明显区分（图3 右）。相反，欧洲赤松种子园、亲本、天然林之间的遗传分化小，不同种群间分布重叠；但在PC1和PC2上均能清晰地呈现出亲本和种子园之间的亲缘关系，如：Västerhus种子园中（图3 左2）的亲本Y4507和Y3014、KLocke种子园中（图3 左3）的BD2120和BD1234在PC1、PC2上表现出为种子园的遗传变异提供了原驱动力。
图3 基于遗传多样性的PCA分析（左 欧洲赤松，右 挪威云杉）

对6个种子园的2525株个体进行亲子关系重建，发现少量个体并不能与其亲本构建亲子关联，说明种子园内存在一定程度的花粉污染（BPC）。相比于挪威云杉，欧洲赤松种子园的花粉污染程度要明显高得多；欧洲赤松种子园的花粉污染程度在幼龄和成熟群体中分别为87%、12%，而挪威云杉种子园中，于幼龄、成熟群体中分别为27%、4%。

图4 亲本于种子园的遗传贡献

亲本的遗传贡献于不同种子园、不同亲本个体中差异明显（图4、5）；其中Västerhus种子园中（欧洲赤松），观测的配子贡献率与期望配子贡献率相差明显（图4）。除Västerhus外，在所有种子园中，大约50%的亲本于子代的遗传贡献率为80%（图5A）。此外，还发现了嫁接砧木于接穗个体（种子园个体）也存在可检测程度的遗传贡献。

评述

本研究是首次基于高质量SNP的对瑞典欧洲赤松、挪威云杉种子园的交配系统、遗传多样性的大规模比较分析；为种子园质量分析评估提供了优质的研究模范。本研究利用基于GBS测序的SNP标记，相对于其它标记，可以相对更为全面的代表整个基因组的变异信息、为两个物种的遗传信息进行更为准确的评估，以使本研究得到目前可靠性最高的结果。林以种为本，种以质为先。种质问题对于林业至关重要，尤其是对于无性繁殖困难的针叶树而言更为如此。本研究从全基因组水平明确了种子园相比于天然林，必然会有一定程度的遗传多样性丢失，但多数育种学者表示，少量的遗传多样性缺失对其种子造林的生长与适应性影响不大；同时，关于种子园内的近交问题，可以通过合理的种子园设计配置得以解决，本研究未检测到明显的近亲繁殖信号，表明近交问题可能并不是针叶树种子园的重大风险；而影响种子园质量的最大风险可能是外来花粉污染，但不同物种或种子园选址存在一定差异，正如文中建议：外来花粉污染评估应作为种子园管理的常规程序，这一结论对于针叶树种子园建议具有重要借鉴价值。
https://doi.org/10.48130/FR-2022-0008

关于Forestry Research

Forestry Research是一本专注于林学领域的期刊，一本全新的国际化的、开放获取的、具有严格的编辑筛选和评估流程的期刊。主要发表与森林科学和多个相关领域的研究论文、方法、综述和观点；涵盖范围从分子到种群，再到生态系统。期刊主编由美国密歇根理工大学林业资源与环境学院卫海荣教授担任。

期刊官网：

www.maxapress.com/forres

投稿网址：

mc03.manuscriptcentral.com/forres

赶紧加入

ForRes交流群