Identification of selective sweeps in domesticated apple (Malus × domestica Borkh.)

Il melo domestico (Malus × domestica) è una delle piante più coltivate al mondo ed è tra le specie agricole geneticamente più polimorfiche. Studiare la diversità genetica in melo può dare importanti suggerimenti sul processo di domesticazione e valide risorse per creare mappe genetiche ad alta risoluzione, per analisi di QTL e nei programmi di breeding. I miglioramenti nelle tecnologie di sequenziamento del DNA, dette NGS, hanno ridotto di molto i costi del sequenziamento al punto che i risequenziamenti completi di genomi sono ora fattibili anche per specie ad alta diversità genetica e dal genoma molto grande. Lo scopo di questo lavoro è l'analisi della variabilità genetica dell’intero genoma di melo e l'identificazione di regioni genomiche sottoposte a selezione durante il processo di domesticazione. A tale scopo 63 cultivar di melo, rappresentanti l’intera diversità del germoplasma europeo, sono state sequenziate con teconolgia Illumina. Dalle sequenze sono stati predetti oltre 15 milioni di SNP che sono stati filtrati eliminare le predizioni scadenti o legate a regioni ripetute e paraloghe. Ulteriori filtri (minor allele frequency e Hardy-Weinberg equilibrium) sono stati applicati per eliminare gli SNP derivati da errori di genotipizzazione. Il numero finale degli SNP filtrati è risultato di 426'321. Gli SNP rimasti dopo i filtri di qualità sono stati usati per studiare la struttura di popolazione e la diversità genetica. Dall'analisi delle componenti principali e da un metodo di clusterizzazione implementato in fastStructure, è emersa una debole stratificazione della popolazione analizzata. Questa analisi ha mostrato la presenza di tre sottopopolazioni con un alto livello di admixture. L’FST tra ogni coppia di sottopopolazioni è risultato di 0,055, 0,083 and 0,096 indicando un livello di differenziazione moderato. Due diversi approcci sono stati usati per identificare 'selective sweep'. Il primo è basato sulle frequenze alleliche e sul 'site frequency spectrum' (SFS) ed è implementato nel software SweeD. Il secondo è basato sui pattern di 'linkage disequilibrium' e la statistica ω ed è implementato nel software OmegaPlus. Le regioni del genoma che sono state identificate da entrambi i software sono state usate come regioni candidate sotto selezione positiva. In tutto il genoma le regioni sotto selezione sono risultate 1'194. In totale 153 predizioni geniche sono state estratte dalle regioni candidate e annotate usando i termini della Gene Ontology e con i pathway metabolici descritti nel database KEGG. Ricerche di similarità in database di piante sono state fatte per trovare geni ortologhi e per capire meglio la funzione dei geni candidati. L'annotazione ha rivelato che i geni sotto selezione positiva sono coinvolti in vari processi quali la fotosintesi, l'ubiquitinazione di proteine, la trasduzione del segnale ormonale delle piante o il metobolismo di amidi e zuccheri. In particolare, per la trasduzione del segnale, sono stati identificati l'importatore dell'auxina e una proteina della famiglia SAUR che agiscono sull'aumento della dimensione cellulare e sulla crescita della pianta e la proteina 2 insensibile all'etilene che porta alla maturazione del frutto e alla senescenza. Le annotazioni funzionali disponibili ascrivono i geni identificati a ruoli fisiologici coerenti con i tratti fenotipici attesi per un processo di domesticazione. Per esempio i tratti legati al miglioramento delle caratterisitche del frutto come la dimensione, il gusto e la dolcezza