[論文レビュー] Genomic Sequence Diversity and Population Structure of Saccharomyces cerevisiae Assessed by RAD-seq

Gareth A. Cromie, Katie E. Hyma+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 20, 2013

Fermentation and Sensory Analysis参考文献 31被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、262株の世界的な *Saccharomyces cerevisiae* の系統を対象にRAD-seqを用いてゲノム多様性と集団構造を解析し、地理的要因による主要な遺伝的分岐—ヨーロッパ、北米、アジア、アフリカ/東南アジアの集団—を明らかにした。また、カカオ、オリーブ、日本酒の発酵においては特徴的な系統が存在することが判明した。実験室系統は、世界的な遺伝的多様性の約25%しか捉えておらず、地理的分岐に続く人為的交雑が主にヨーロッパ系統とアジア系統の間で生じたというモデルを支持している。

ABSTRACT

The budding yeast Saccharomyces cerevisiae is important for human food production and as a model organism for biological research. The genetic diversity contained in the global population of yeast strains represents a valuable resource for a number of fields, including genetics, bioengineering, and studies of evolution and population structure. Here, we apply a multiplexed, reduced genome sequencing strategy (known as RAD-seq) to genotype a large collection of S. cerevisiae strains, isolated from a wide range of geographical locations and environmental niches. The method permits the sequencing of the same 1% of all genomes, producing a multiple sequence alignment of 116,880 bases across 262 strains. We find diversity among these strains is principally organized by geography, with European, North American, Asian and African/S. E. Asian populations defining the major axes of genetic variation. At a finer scale, small groups of strains from cacao, olives and sake are defined by unique variants not present in other strains. One population, containing strains from a variety of fermentations, exhibits high levels of heterozygosity and mixtures of alleles from European and Asian populations, indicating an admixed origin for this group. In the context of this global diversity, we demonstrate that a collection of seven strains commonly used in the laboratory encompasses only one quarter of the genetic diversity present in the full collection of strains, underscoring the relatively limited genetic diversity captured by the current set of lab strains. We propose a model of geographic differentiation followed by human-associated admixture, primarily between European and Asian populations and more recently between European and North American populations. The large collection of genotyped yeast strains characterized here will provide a useful resource for the broad community of yeast researchers.

研究の動機と目的

• グローバルに多様な系統を対象に、*Saccharomyces cerevisiae* のゲノム配列多様性および集団構造を同定すること。
• 一般的に使用される実験室系統が、どの程度の遺伝的多様性を捉えているかを評価すること。
• 人為的活動が交雑によって酵母集団構造に与えた影響を調査すること。
• カカオ、オリーブ、日本酒の発酵といった特定の環境的ニッチに関連する系統特異的変異を同定すること。

提案手法

• 262株の *S. cerevisiae* に対してマルチプレックスRAD-seqを用い、ゲノムの1%を縮小・標準化した領域をシーケンシングした。
• 全系統のRAD-seq領域から116,880塩基のマルチプル相同配列アラインメントを生成した。
• 集団遺伝学的解析を用いて、地理的および生態的グループ間の集団構造と遺伝的差異を推定した。
• 主成分分析と系統発生解析を用いて、遺伝的変異の主軸および系統関係を可視化した。
• 実験室系統の遺伝的多様性を全集団と比較し、代表性を定量した。
• アレルル頻度とヘテロ接合性のパターンに基づき、初期の地理的分岐に続く人為的関連交雑イベントを示すモデルを提唱した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 *Saccharomyces cerevisiae* のゲノム多様性は、世界的な地理的地域および環境的ニッチによってどのように構造化されているか？
• RQ2 一般的に使用される実験室系統は、*S. cerevisiae* 種全体の遺伝的多様性をどの程度代表しているか？
• RQ3 特に発酵関連の系統において、人為的交雑が示される証拠は何か？
• RQ4 カカオ、オリーブ、日本酒の発酵といった特定の生態的起源に関連する独自の遺伝的変異は存在するか？
• RQ5 世界的に分布する *S. cerevisiae* の系統の集団遺伝学的構造は何か？ また、歴史的な移動と適応をどのように反映しているか？

主な発見

• *S. cerevisiae* の主な遺伝的変異軸は、主に地理的要因によって定義されており、ヨーロッパ、北米、アジア、アフリカ/東南アジアの集団に対応する明確なクラスタが存在する。
• カカオ、オリーブ、日本酒の発酵由来の系統は、他の集団とは異なる特徴的な遺伝的変異を持つ独自の系統を形成している。
• 発酵関連の集団は高いヘテロ接合性と、ヨーロッパおよびアジア系統由来の交雑アレルルを示しており、ハイブリッド起源であることを示唆している。
• 一般的に使用される7株の実験室系統は、全集団に観察された総遺伝的多様性の約25%しか捉えていない。
• データは、初期の地理的分岐に続く人為的交雑が主なプロセスであるというモデルを支持しており、特にヨーロッパとアジア集団の間で、そして近年ではヨーロッパと北米集団の間で交雑が生じたことが示唆されている。
• 262株という大規模かつ高品質なゲノム情報が得られた集団は、今後のイーストの遺伝学、進化、バイオテクノロジー研究の包括的リファレンスリソースを提供する。