[論文レビュー] The pattern and distribution of deleterious mutations in maize

Sofiane Mezmouk, Jeffrey Ross‐Ibarra|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2013

Evolution and Genetic Dynamics参考文献 42被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、近交系統からの高密度遺伝子型データを用いて、トウモロコシにおける有害なコードリングバリアエントの全ゲノムスキャンを初めて実施した。予測された有害なSNPの大部分は低頻度にあり、それらを有する遺伝子は複雑な形質と有意に関連している。これは、ハイブリッドの活力が、近交系統間で隠性有害アレルルの補完によって生じるドミナントモデルを強く支持する。

ABSTRACT

Most non-synonymous mutations are thought to be deleterious because of their effect on protein sequence. These polymorphisms are expected to be removed or kept at low frequency by the action of natural selection, and rare deleterious variants have been implicated as a possible explanation for the "missing heritability" seen in many studies of complex traits. Nonetheless, the effect of positive selection on linked sites or drift in small or inbred populations may also impact the evolution of deleterious alleles. Here, we made use of genome-wide genotyping data to characterize deleterious variants in a large panel of maize inbred lines. We show that, in spite of small effective population sizes and inbreeding, most putatively deleterious SNPs are indeed at low frequencies within individual genetic groups. We find that genes showing associations with a number of complex traits are enriched for deleterious variants. Together these data are consistent with the dominance model of heterosis, in which complementation of numerous low frequency, weak deleterious variants contribute to hybrid vigor.

研究の動機と目的

• 高密度遺伝子型データを用いて、トウモロコシゲノム全体における有害突然変異の頻度と分布を同定すること。
• 有害突然変異を有する遺伝子が、ゲノムワイド関連解析（GWAS）において、複雑な農業的形質と関連しているかどうかを評価すること。
• 希少で弱く有害なアレルルが、特にドミナントモデルの下で、トウモロコシにおけるハイブリッド化にどの程度寄与しているかを評価すること。
• 集団構造、近交、選択が、トウモロコシにおける有害突然変異の進化的なダイナミクスにどのように影響しているかを調査すること。
• インシリコ予測による有害突然変異の同定が、トウモロコシにおける育種価および組み合わせ能力予測の精度向上にどの程度役立つかを検討すること。

提案手法

• トウモロコシ近交系統の大規模パネルからの全ゲノム遺伝子型データを用い、ゲノム全体にわたる単一ヌクレオチド多型（SNP）を同定した。
• 進化的保存性およびタンパク質構造への影響に基づき、インシリコ予測ツールを用いて非同義SNPを有害と分類した。
• 集団内および集団間のSNP頻度分布を分析し、近交および有効集団サイズの影響を評価した。
• 14種の複雑な形質に対するゲノムワイド関連解析（GWAS）を実施し、関連領域に有害SNPが富んでいるかを検証した。
• 統計的有意性を評価するために、有害SNPを予測された遺伝子とランダムな遺伝子セットを比較した遺伝子レベルの富み検定を実施した。
• 符号検定および相関解析を用いて、富みが偶然、SNP密度、または希少有害アレルルとの合成的関連性によるものかどうかを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 トウモロコシの近交系統における予測された有害な非同義SNPの頻度分布はどのようなものか。また、近交および小さな有効集団サイズの影響を受けるか。
• RQ2 複雑な農業的形質に関連する遺伝子は、背景レベルと比較して有害突然変異が富んでいるか。
• RQ3 希少で低頻度の有害SNPは、特にハイブリッド化の文脈において、トウモロコシの表現型変異にどの程度寄与しているか。
• RQ4 形質関連遺伝子に有害突然変異が富んでいる現象は、SNP密度やリコネジュレーションの程度といった交絡要因によるものか。
• RQ5 インシリコによる有害突然変異の予測は、トウモロコシにおける育種価および組み合わせ能力予測の精度向上に寄与できるか。

主な発見

• トウモロコシの近交系統における予測された有害な非同義SNPの大部分は低頻度にあり、小規模な有効集団サイズと近交の下でも、これに適合する正の選択の兆候であった。
• 植物高、収量、テッセリングまでの日数といった複雑な形質に関連する遺伝子は、有害SNPに有意に富んでおり（5–45%）、特に全植物収量およびテッセリングまでの日数で統計的有意性を示した。
• 遺伝子レベルでは、形質関連遺伝子に予測された有害SNPを有する遺伝子の富みが強く、統計的に有意であった（集団Aではp値 = 3 × 10⁻⁵、集団Bではp = 0.01）。
• 低頻度の同義SNPには富みが認められず（p ≈ 1）、信号は有害なコードリングバリアエントに特異的であり、SNP密度やリコネジュレーションのアーチファクトではないことが示された。
• 遺伝子あたりのSNP数と有意関連数の間の相関は低かった（r ≤ 0.2）、富みが遺伝子サイズやSNP数によって駆動されているわけではないことを示唆した。
• 結果は、ハイブリッドの活力が、近交系統間で隠性有害アレルルの補完によって生じるドミナントモデルを支持しており、ヘテロ接合体で有害効果がマスクされることによるものである。