群体遗传进化专题之选择性清除分析

选择性清除：当一个有利突变发生后，这个突变基因的适合度越高，就越容易被选择固定。当这个基因被快速固定之后，与此基因座连锁的染色体区域，由于搭车效应也被固定下来，大片紧密连锁的染色体区域因此失去多态性，这种由于搭车效应引起多态性下降的现象，遗传上称为选择清除。

群体进化选择消除分析：简单的说就是基因组某区域由于受到了选择而消除多态性。选择消除分析是正向选择在物种基因组上留下的印迹。与野生祖先相比，栽培或驯化的物种发生选择消除的区域遗传多样性显著降低，这是驯化区域的典型特征。

下图可以形象的展示受选择后的结果

选择消除分析可以做什么？

The ratio of the number of nonsynonymous substitutions per nonsynonymous site (Ka) to the number of synonymous substitutions per synonymous site (Ks)。

Ks = 同义突变SNP数/同义位点数， 即同义突变率 Ka = 非同义突变SNP数/非同义位点数， 即非同义突变率

Ka/Ks >> 1，基因受正选择(positive selection) Ka/Ks ＝1，基因中性进化(neutral evolution) Ka/Ks 0，表明存在大量的中等频率的等位基因，这可能是由于群体瓶颈效应，群体结构，或者平衡选择引起的。 如果Tajima's D< 0，表明存在大量的低频等位基因位点。

Tajima's D分析表示中性进化，越偏离0，受选择程度越高。

全称是 the cross-population composite likelihood ratio test（跨群体复合似然比检验），是一种是基于选择清除（selective sweep）的似然方法。

XP-CLR 利用了两个群体之间的多基因座等位基因频率差异（multilocus allele frequency differentiation）建立模型，使用布朗运动来模拟中性下的遗传漂移，并使用确定性模型来近似地对附近的单核苷酸多态性（SNPs）进行选择性扫描。

群体的固定系数Fst反映了群体等位基因杂合性水平。固定系数是F统计量（Fst）的一个特例。Fst分析表示群体的分化程度，值越大，群体分化程度越高，受选择程度越高。

Fst分布图，横坐标代表不同的染色体名称，纵坐标代表相应染色体窗口内Fst值，另外的两条虚线代表两种选择阈值（top 5%或1%）。

74份中国李核心种质可聚类为南、北、东北及国外品种群，南方品种群较为原始，遗传多样性丰富，且与其他品种群间存在基因交流，推测中国李起源于我国南方长江流域。

不同品种群间进行选择压分析，共鉴定到35个受选择位点，其中，开花调控、抗病抗逆及类黄酮代谢等重要途径关键基因显著富集，初步揭示了中国李重要性状驯化的分子基础。

纵坐标如Fst(F_S)，表示该结果是F群体与S群体间的分化指数，这里对FST做了一个Z变换，所以数值范围不是[0~1]，但值越大也是分化越显著区域。图上可直观看到分化指数较高的位置。

野外收集到的各亚种间在遗传物质上有何差异，不妨来看看借助选择性清除探究“只有长江江豚可以在淡水中生活的奥秘”？

采用Sweep Finder2软件基于CLR（复合似然比），来探测群体内的选择信号，鉴定出39 个具有强选择性扫描信号的 CLR 峰，宽、窄脊江豚分别鉴定出218 个和 144 个候选基因。

为什么选择CLR来进行，原因在于常用于选择性清除的分析如FST适合物种内，不适合物种间、而Ka/Ks整合难度大，故本文采用了优化后的SFS原理。如果样本于此类似，不妨参考参考。

利用选择消除分析对不同类群的基因组选择区域进行了鉴定，同时开展全基因组关联分析，发现了12个共同的控制开花期候选基因，对其中2个候选基因VIN3和SRR1进行单倍型分析，发现它们在芥菜的传播和驯化过程中共同进化，揭示了芥菜在开花期上对环境的适应。

对籽用、茎用和根用芥菜形态变异的基因组选择区域和候选基因进行分析，发现芥菜中适应了当地光周期的基因导致了种子大小的改变，生长素信号传导、糖转运、细胞分裂和细胞扩张等方面的基因决定根、茎膨大。

栽培苹果具有人工驯化的很多痕迹，特别是其中的果实重量、硬度、甜度、酸度等。通过XP-CLR、π、Tajima’s D相结合的方法定位到6号染色体上的包含9个基因的区域内。

上图a中灰色背景点表示起源于其他野生祖先而不是来自比较的基因组，绿色的线为XP-CLR前1%的分位数。

π用来分析碱基多态性，多态性越低，受选择程度越高。

π 结果分析图中，横轴表示基因组的位置，纵坐标表示π值，图中的曲线表示3个群体的多态性水平。群体π值反映了群体基因组碱基多样性。

在标准中性进化模型下，Tajima’s D 的理论值为零。如果Tajima’s D 值为正，表明存在大量的中等频率的等位基因，这可能是由于群体瓶颈效应，群体结构，或者平衡选择引起的。如果 Tajima’s D 值为负，表明存在大量的低频等位基因位点。Tajima’s D分析表示中性进化，越偏离0，受选择程度越高。

由于单纯一种选择信号检测方法容易造成假阳性选择信号的产生，目前选择信号检测普遍采用两种或多种检测方法进行组合策略，不同检测方法相互验证。例如，基于群体分化和基于基因组杂合度检测组合的策略、基于连锁不平衡的检测方法与基于基因组杂合度检测方法组合的策略等。

Fst 和θπ已被证实是一种很有效力地检测选择消除区域的方法，特别是在挖掘与生存环境密切相关的功能区时，往往可以得到较强的选择信号，图5为Fst与θπ选择消除分析结果展示，二者共同筛选较强的选择信号，便于目标基因的筛选。

横坐标为θπ ratio（驯化／野生），纵坐标为Fst值，分别对应上面的频率分布图和右侧的频率分布图，中部的点图则代表不同窗口内的相应的Fst和θπ ratio。

其中最上方蓝色和绿色区域为θπ选择出来的top 5%区域，红色区域为Fst所选择top 5%区域，中间蓝色和绿色区域为Fst和θπ的交集，即为候选的位点。

横坐标为θπ 值，纵坐标为Tajima’s D值，分别对应上面的频率分布图和右侧的频率分布图，中部的点图则代表不同窗口内的相应的θπ和Tajima’s D值。

其中，蓝色区域为θπ选择出来的top 5%区域，绿色区域为Tajima’s D选择出的top 5% 区域，红色箭头所指的区域为θπ和Tajima’s D的交集，即为候选的位点。

横坐标表示染色体上的某个区间，纵坐标表示Hp、Fst，图中的蓝点表示杂合率（Hp），图中的橙黄色点表示固定系数（Fst）。

通常选择杂合率Hp较小，群体分化系数Fst较大的点，图中两虚线间的点即为候选位点。

春花秋月、沧海桑田，我们身边丰富的物种都经历了从野生祖先种到地方种的驯化过程，再经过近代育种家的不断改良，提高其产量，改良其食味、品质和株型或者物种为生存，适应环境，不断自我修炼；相比于漫长的驯化过程，作物改良在短短几十年间取得的成就大大超越以前的积累，这是一个奇妙的过程。而通过选择性清除分析揭示这个过程中物种经历的变化是科学家们感兴趣的科学问题。

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原文链接：https://blog.csdn.net/hs6605015/article/details/122273885

参考： https://www.cn-healthcare.com/articlewm/20211015/content-1274063.html https://blog.csdn.net/hs6605015/article/details/122273885