一种利用景观基因组学评估物种适应潜力的方法及应用技术

本发明专利技术属于对景观基因组技术领域，具体涉及一种利用景观基因组学评估物种适应潜力的方法，包括以下步骤：样品采集；提取S1中样品的DNA，对所有样品个体进行基因分型检测，得到基因分型检测的原始数据；获得最能代表主要群体结构的K的最佳值、异常位点检测，获得基因异常位点的数据矩阵、适应性基因位点检测，获得适应性基因位点数据矩阵。根据适应性基因位点和非适应性基因位点数据建立合适的景观适应指数来衡量物种的适应潜力，该指数对园林植物栽培中的引种驯化具有重要的参考价值。

A Method for Evaluating Species'Adaptation Potential Using Landscape Genomics and Its Application

The invention belongs to the field of landscape genomics technology, and specifically relates to a method for evaluating species adaptation potential by using landscape genomics, including the following steps: sample collection; extraction of DNA from S1 samples, genotyping detection of all sample individuals, obtaining the original data of genotyping detection; and obtaining the most representative master. To detect the optimal value of K and abnormal loci in population structure, the data matrix of abnormal loci, the adaptive gene loci detection and the adaptive gene loci data matrix are obtained. According to the data of adaptive gene loci and non-adaptive gene loci, a suitable landscape adaptation index was established to measure the adaptive potential of species. This index has important reference value for the introduction and domestication of landscape plants.

【技术实现步骤摘要】
一种利用景观基因组学评估物种适应潜力的方法及应用
本专利技术属于对景观基因组
，具体涉及一种利用景观基因组学评估物种适应潜力的方法及应用。
技术介绍
了解当地适应的遗传基础最近是分子生态学和进化生物学研究的重点。长期的当地适应将迫使物种面临来自环境的两种选择压力。一个来自时间尺度上的气候波动，另一个来自空间尺度上的环境异质性。为了响应来自环境的选择压力，物种将在基因组中经历一些适应性变化，并最终产生一些表型和物候变化。这些适应性变化的积累也有助于物种更大的适应潜力。识别这些适应性遗传变异可以促进我们对局部适应的遗传机制和物种的适应潜力的理解。然而，由于缺乏基因组信息，鉴定负责局部适应的基因组中的这些适应性遗传变异对于大多数非模式种类仍然是一个巨大挑战。景观基因组学由Joost等人提出，旨在发现基因组中的适应性遗传分化与自然种群间的环境异质性之间的关系。过去10多年来，景观基因组学研究的报道更多。这些研究在理解响应气候波动和环境异质性的物种适应性进化方面取得了相当大的进展。在这些研究中，解决了两大类问题。哪些环境变量是影响物种适应性遗传分化和塑造物种景观遗传结构以及基因组上的哪些基因或基因位点将经历适应性遗传分化的关键角色。物种适应性遗传分化和景观遗传结构是基因流和自然选择相结合的结果。自然选择环境变量通常会导致物种基因组的适应性分化，而基因流可以阻止大多数基因位点的分化。最终的结果是物种基因组产生基因组马赛克。尽管利用各种相关方法可以检测到异质景观产生的自然选择下的种群间的适应性分化，但物种的景观遗传结构受基因流影响更大。由于地理距离，异质景观干扰，地质或环境因素造成的障碍，以及物种自身的花粉和种子散布方式导致基因流动减少，这些都会通过影响基因流动来影响物种的景观遗传结构。需要更多的研究来证实自然选择决定的人群之间是否存在显着的适应性遗传分化。在之前的景观基因组学研究中，已经鉴定了大量的适应性基因或基因位点。然而，仍然很难解释为什么这些基因而不是其他基因。在极端的环境中，例如海洋中的高盐和高渗透压以及沙漠中的高温和极端干旱，这些与局部适应物种的极端环境相关的基因或位点将被迫适应性地分化。目前的景观基因组研究已经证明，物种的适应基因或基因位点通常是多样的。这可能是因为这些物种大多不存在于极端环境中，并且没有强大的选择压力来迫使物种发生收敛的遗传进化。最近的景观基因组研究提出了一个假设，即与物种生态习性有关的环境变化是物种适应性进化的关键驱动力；也就是说，相关基因将发生适应性分化。这一假设是否也适用于其他物种并具有一定的普遍性还有待进一步验证。迄今为止，景观基因组研究更关注上述两个问题。然而，景观基因组学也提供了评估物种适应潜力的机会。物种适应潜力主要受产生适应性基因并传递这些适应性基因的能力的影响。更适应性的基因生产意味着物种可以适应更复杂的气候波动和异质景观，因此表明适应性更强。另外，物种的适应潜力取决于种群之间的强基因流，这可能与其适应基因共享并增加邻近种群的适应能力。综上所述，现有技术中存在的问题是：尽管景观基因组学研究已经开始关注物种的适应潜力，但没有合适的景观适应指数来衡量物种的适应潜力。
技术实现思路
本专利技术提供的一种利用景观基因组学评估物种适应潜力的方法及应用，提供了一种景观适应指数的模型建立方法，该指数可衡量评估物种的适应潜力。本专利技术提供了一种利用景观基因组学评估物种适应潜力的方法，包括以下步骤：S1，确定待研究的区域范围，并在该区域范围内采集样品；S2，基因分型提取S1中样品的DNA，对所有样品个体进行基因分型检测，得到基因分型检测的原始数据；基因分型检测步骤如下：用荧光标记的通用引物扩增样品的DNA，将扩增产物放在基因测序仪上进行基因分型检测；S3，数据分析读取基因分型检测的原始数据，如果有荧光峰的打分为1，如果没有荧光峰则打分为0，根据荧光峰的有无将基因分型检测结果转为1/0矩阵，然后以所得到的1/0矩阵为基础进行以下群体遗传分析：(1)通过基于贝叶斯的程序STRUCTURE2.3.4对物种的种群遗传结构进行分析，获得最能代表主要群体结构的K的最佳值；(2)异常位点检测，获得基因异常位点的数据矩阵；(3)将(2)检测到的基因异常位点与环境作关联分析，进行适应性基因位点检测，获得适应性基因位点数据矩阵；(4)将(3)得到的适应性基因位点数据矩阵根据软件的格式要求导入到ARLEQUIN3.5软件中，分析得到基于环境相关基因位点计算的基因分化值FST(E)；从所述1/0矩阵中删除(3)中得到的适应性基因位点对应的数据矩阵后，剩余数据矩阵为非适应基因位点数据矩阵，将非适应基因位点数据矩阵根据软件的格式要求导入到ARLEQUIN3.5软件分析得到基于非环境相关基因位点计算的基因分化值FST(NE)；(5)景观适应指数LAI的建立我们构建出式①所述的模型：式①中，FST(E)为基于环境相关基因位点计算的基因分化值，Nm是种群间的基因流，Nm值根据计算，FST(NE)是基于非环境相关基因位点计算的基因分化值；S4，通过景观适应指数LAI评估物种的适应潜力：LAI值越大说明该物种的适应潜力越大。优选的，上述的利用景观基因组学评估物种适应潜力的方法，所采集样品应为野生样本，并且待评估物种的采样范围应覆盖待研究的区域范围内该物种的全部分布区。优选的，上述的利用景观基因组学评估物种适应潜力的方法，S2中，用荧光标记的SCOT通用引物扩增样品的DNA。优选的，上述的利用景观基因组学评估物种适应潜力的方法，所述样品的物种为白皮松、黄栌或者连翘。优选的，上述的利用景观基因组学评估物种适应潜力的方法，S3中(1)的具体步骤如下：将基于贝叶斯的程序STRUCTURE2.3.4参数设置为：独立等位基因频率的非混合模型，K值设置为1到所采样品的种群数数值；对每个K值进行10次重复运行20,000次马尔可夫链蒙特卡洛迭代和100,000次重复；根据最高的ΔK值评估最能代表主要群体结构的K的最佳值；ΔK值由StructureHarvester软件计算。优选的，上述的利用景观基因组学评估物种适应潜力的方法，异常位点检测包括两种方法：第一种：在利用软件BayeScan2.1中使用贝叶斯方法检测异常位点，计算时使用以下参数：输入1/0矩阵的数据，样本大小为5000，细化间隔为10、20次试运行，运行长度为5000，以及额外的刻录50000次迭代，后验概率>0.76的基因位点被认为是异常位点；第二种：使用软件Arlequin3.5.1.2检测；采用该软件的等级岛屿模型，输入1/0矩阵的数据，并采用以下参数计算了离群点：100个模拟DEMES和20000个聚结模拟；为降低假发现率，排除等位基因频率小于5％的位点，将95％置信区间外的位点视为异常位点。优选的，上述的利用景观基因组学评估物种适应潜力的方法，将(2)检测到的基因异常位点与环境作关联分析时采用的是环境变量，将基因异常位点的数据矩阵和环境变量数据矩阵导入LFMM1.2软件中，用以下参数进行关联分析：10000次扫描，1000次burn-in扫描，混合因子数为(1)中计算的最佳K值；|z|>3，P<0.001的基因位点对应本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用景观基因组学评估物种适应潜力的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，确定待研究的区域范围，并在该区域范围内采集样品；S2，基因分型提取S1中样品的DNA，对所有样品个体进行基因分型检测，得到基因分型检测的原始数据；基因分型检测步骤如下：用荧光标记的通用引物扩增样品的DNA，将扩增产物放在基因测序仪上进行基因分型检测；S3，数据分析读取基因分型检测的原始数据，如果有荧光峰的打分为1，如果没有荧光峰则打分为0，根据荧光峰的有无将基因分型检测结果转为1/0矩阵，然后以所得到的1/0矩阵为基础进行以下群体遗传分析：(1)通过基于贝叶斯的程序STRUCTURE 2.3.4对物种的种群遗传结构进行分析，获得最能代表主要群体结构的K的最佳值；(2)异常位点检测，获得基因异常位点的数据矩阵；(3)将(2)检测到的基因异常位点与环境作关联分析，进行适应性基因位点检测，获得适应性基因位点数据矩阵；(4)将(3)得到的适应性基因位点数据矩阵根据软件的格式要求导入到ARLEQUIN3.5软件中，分析得到基于环境相关基因位点计算的基因分化值FST(E)；从所述1/0矩阵中删除(3)得到的适应性基因位点数据矩阵后，剩余数据矩阵为非适应基因位点数据矩阵，将非适应基因位点数据矩阵根据软件的格式要求导入到ARLEQUIN3.5软件分析得到基于非环境相关基因位点计算的基因分化值FST(NE)；(5)景观适应指数LAI的建立我们构建出式①所述的模型：...

【技术特征摘要】
1.一种利用景观基因组学评估物种适应潜力的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，确定待研究的区域范围，并在该区域范围内采集样品；S2，基因分型提取S1中样品的DNA，对所有样品个体进行基因分型检测，得到基因分型检测的原始数据；基因分型检测步骤如下：用荧光标记的通用引物扩增样品的DNA，将扩增产物放在基因测序仪上进行基因分型检测；S3，数据分析读取基因分型检测的原始数据，如果有荧光峰的打分为1，如果没有荧光峰则打分为0，根据荧光峰的有无将基因分型检测结果转为1/0矩阵，然后以所得到的1/0矩阵为基础进行以下群体遗传分析：(1)通过基于贝叶斯的程序STRUCTURE2.3.4对物种的种群遗传结构进行分析，获得最能代表主要群体结构的K的最佳值；(2)异常位点检测，获得基因异常位点的数据矩阵；(3)将(2)检测到的基因异常位点与环境作关联分析，进行适应性基因位点检测，获得适应性基因位点数据矩阵；(4)将(3)得到的适应性基因位点数据矩阵根据软件的格式要求导入到ARLEQUIN3.5软件中，分析得到基于环境相关基因位点计算的基因分化值FST(E)；从所述1/0矩阵中删除(3)得到的适应性基因位点数据矩阵后，剩余数据矩阵为非适应基因位点数据矩阵，将非适应基因位点数据矩阵根据软件的格式要求导入到ARLEQUIN3.5软件分析得到基于非环境相关基因位点计算的基因分化值FST(NE)；(5)景观适应指数LAI的建立我们构建出式①所述的模型：式①中，FST(E)为基于环境相关基因位点计算的基因分化值，Nm是种群间的基因流，Nm值根据计算，FST(NE)是基于非环境相关基因位点计算的基因分化值；S4，通过景观适应指数LAI评估物种的适应潜力：LAI值越大说明该物种的适应潜力越大。2.根据权利要求1所述的利用景观基因组学评估物种适应潜力的方法，其特征在于，所采集样品应为野生样本，并且待评估物种的采样范围应覆盖待研究的区域范围内该物种的全部分布区。3.根据权利要求1所述的利用景观基因组学评估物种适应潜力的方法，其特征在于，S2中，用荧光标...

【专利技术属性】
技术研发人员：李永，雷雅凯，张凌，郭楠，张雪霞，贺丹，张曼，栗燕，张淑梅，李青，
申请(专利权)人：河南农业大学，
类型：发明
国别省市：河南,41