野生苹果怎么变成栽培苹果？｜基因分析

欧洲野生苹果的基因流与选择作用塑造了栽培苹果的基因组

Xilong Chen, Ronan Dadole, Komlan Avia, ..., Arnaud Lemarquand, Thierry Hance, Amandine Cornille

摘要

选择作用与种群统计学特征如何共同塑造多年生作物的基因组，仍是一个悬而未决的科学问题。苹果（Malus domestica）是研究该问题的理想模式材料，因其驯化过程涉及多个野生祖先种，且驯化后在欧亚大陆范围内发生了广泛的种间杂交。本研究整合了 218 份全基因组数据（68 份鲜食 / 酿酒栽培苹果、150 份野生苹果：新疆野苹果M. sieversii、东方野苹果M. orientalis、欧洲野苹果M. sylvestris）、转录组测序（RNA-seq）数据及开花时间全基因组关联分析（GWAS），解析了上述进化力量如何塑造栽培苹果的基因组。尽管中性位点的遗传分化程度较低且杂交现象普遍，但鲜食苹果与酿酒苹果仍形成了独立的基因库，其遗传组成主要源自新疆野苹果–东方野苹果类群，而非欧洲野苹果M. sylvestris。与多年生植物的驯化特征一致，本研究未发现苹果存在驯化瓶颈的证据。基于种群统计学背景校正的选择扫描分析，结合转录组数据验证，鉴定出两组互不重叠的选择靶基因：鲜食苹果在果实品质、抗病性与开花相关基因上表现出更多硬清除（hard-sweep）信号，而酿酒苹果则富集更多软清除（soft sweeps）与平衡选择信号。欧洲野苹果向栽培苹果的野生–作物渐渗现象广泛存在且具有异质性；部分渐渗区段集中于硬清除区域并趋近固定（符合快速、靶向的适应性导入特征），另一些渐渗区段则以中等频率保留并伴随软清除信号（符合适应性等位基因弥散、反复渐渗的特征）。9 号染色体上主导开花时间的 GWAS 关联位点位于转座子附近的渐渗区段内，且与选择清除峰分离，提示该性状受调控变异或多基因控制。栽培苹果的有害突变负荷低于其野生近缘种。本研究为多年生果树的驯化提供了全面的基因组学解析，阐明了选择作用与适应性渐渗如何塑造栽培苹果基因组，同时为苹果育种与种质资源保护提供了可落地的靶标位点。

引言

驯化是研究进化的天然实验体系，能够揭示选择作用与种群统计学过程（包括基因流）如何在较短的进化时间尺度上塑造基因组。自达尔文首次将驯化视为理解生物多样性起源的核心模型以来 (1)，学界已逐步明确：植物驯化既包含对优异性状的人工选择，也涉及复杂的种群统计学事件，包括种群瓶颈与基因流 (2)。然而，多年生果树的驯化动态与一年生作物存在本质差异。多年生植物世代周期长、异交率高、常依赖无性繁殖，这使其驯化瓶颈更温和、与野生近缘种的基因流更易保留、驯化起始后的世代数更少，最终形成独特的基因组演化特征 (3–5)。

尽管多年生植物的基因组学研究不断深入，但仍存在关键认知缺口：野生–作物基因流的规模与动态、驯化基因组上正选择与平衡选择 (4) 的作用模式，以及有害突变积累（即驯化代价）的规律，在多年生果树中仍缺乏清晰阐释 (3)。一年生作物驯化后通常表现出遗传负荷升高，但该规律在长寿、无性繁殖作物中的适用性尚不明确。例如，葡萄的研究表明体细胞突变可能发挥重要作用，但多年生植物的整体演化模式仍有待厘清 (6,7)。

栽培苹果（Malus domestica Borkh.）是研究多年生植物驯化的经典模式材料。苹果的表型多样性极为丰富，涵盖果实色泽、质地、风味等性状，据此可分为鲜食苹果与酿酒苹果两类栽培类型 (8,9)，二者表型存在部分重叠 (10)。基因组分析显示，鲜食与酿酒苹果构成两个连续过渡、遗传结构清晰的主要基因库 (11,12)。已有研究将栽培苹果的起源主要追溯至中亚的新疆野苹果M. sieversii，同时高加索地区的东方野苹果M. orientalis与欧洲野苹果M. sylvestris通过野生–作物渐渗做出了二次贡献 (13)。目前，酿酒苹果与鲜食苹果的驯化历史、野生–作物基因流的基本框架已较为清晰 (11,14)，但这种杂交事件的基因组结构与进化后果仍未被解析，选择作用、渐渗与种群历史在苹果驯化中的相对贡献仍存争议 (14–17)。

本研究旨在解析塑造栽培苹果基因组的进化过程，明确选择、渐渗与种群统计学历史如何共同驱动多年生植物的驯化。为解答该问题，本研究分析了 218 份苹果材料的全基因组数据集（含 140 份新测序材料），涵盖鲜食、酿酒栽培苹果及其近缘野生种（新疆野苹果、东方野苹果、欧洲野苹果）。与以往聚焦中亚新疆野苹果的研究不同，本研究首次纳入覆盖欧洲野苹果全地理分布范围的大规模样本，这一设计至关重要 —— 欧洲野苹果是近期野生–作物渐渗的主要供体，该数据集为评估渐渗在多年生植物驯化中的适应性作用提供了理想材料。本研究的具体目标为：（1）解析苹果遗传多样性的种群结构与起源；（2）鉴定驯化相关的正选择与平衡选择基因组信号；（3）探究野生–作物渐渗的规模、来源与适应性功能；（4）解析有害突变负荷的分布规律与演化后果。为将群体基因组学推断与性状、表达水平关联，本研究通过 GWAS 分析开花时间分化，并利用 RNA-seq 对选择候选基因的表达谱进行解析，将群体基因组信号与表型、转录分化建立直接联系。本研究整合群体基因组学、选择扫描、祖先溯源、基因表达分析与 GWAS，全面揭示了野生渐渗、选择作用与种群统计学过程共同塑造栽培苹果基因组的进化机制，为多年生作物的驯化进化动态提供了新见解。

结果

酿酒苹果与鲜食苹果形成独立基因库，并与野生近缘种发生杂交

本研究对 218 份苹果材料进行了全基因组重测序或公共数据整合，包括 45 份鲜食苹果、23 份酿酒苹果，以及 150 份野生个体：87 份欧洲野苹果M. sylvestris（欧洲分布）、40 份新疆野苹果M. sieversii（哈萨克斯坦、中国）、10 份东方野苹果M. orientalis（高加索地区）、13 份山荆子M. baccata（中国）。经质量控制（剔除克隆个体、SNP 缺失率 > 30% 的个体）后，最终保留 201 份材料，共鉴定出 28,377,551 个单核苷酸多态性（SNP）（图 S1；数据集 S1A、S1B）(18,19)。

基于 31,300 个无连锁同义 SNP 的种群结构与杂交分析，将所有材料划分为 6 个主要遗传聚类：鲜食苹果（橙色）、酿酒苹果（粉色），以及按地理起源划分的 4 个野生类群（图 1A、1B）。新疆野苹果与东方野苹果在所有 K 值下均无法分离（图 S1）。邻接网络分析与主成分分析（PCA）证实，山荆子与其他苹果类群遗传分化程度极高（图 1C、1D），因此作为外类群使用。西欧与东欧欧洲野苹果在遗传上独立于新疆野苹果–东方野苹果类群，PCA 与 fastSTRUCTURE 分析均支持其形成两个明确分化的西欧、东欧遗传聚类（图 1A、1D）。与已有研究结论一致 (20)，酿酒苹果与鲜食苹果均更趋近于新疆野苹果–东方野苹果类群，而非欧洲野苹果。此外，酿酒苹果基因库（粉色）与西欧欧洲野苹果基因库（蓝色）存在显著杂交（平均祖先系数 = 3.58%），但与东欧欧洲野苹果无明显杂交；鲜食苹果主要与西欧欧洲野苹果杂交（2.76%），同时与东欧欧洲野苹果存在少量可检测的杂交（0.57%）（数据集 S1C）。

本研究采用 fastSTRUCTURE 祖先系数 (21) 对基因型进行群体划分（即祖先系数 > 0.8 的个体归入对应类群；数据集 S4B），最终定义 6 个群体：酿酒苹果（DomC）、鲜食苹果（DomD）、新疆野苹果–东方野苹果混合群（SiOr）、西欧欧洲野苹果（SylW）、东欧欧洲野苹果（SylE）、山荆子（Bacc）。奥地利欧洲野苹果样本表现为西欧与东欧类群的杂交祖先，因此未纳入基于群体的选择分析。

上述结果证实，酿酒苹果与鲜食苹果是遗传独立但存在杂交的两个基因库，二者与中亚、高加索野生苹果的亲缘关系均近于欧洲野苹果。杂交模式同时揭示了东欧、西欧欧洲野苹果两个基因库对栽培苹果基因库的不对称、差异化贡献。

野生与栽培苹果的分化及种群统计学历史

遗传分化估算结果显示，山荆子的分化程度最高（图 S2A；数据集 S1D）。以山荆子为外类群构建的物种树拓扑结构与溯祖法 ASTRAL 系统发育树（图 S2B、S2C）表明，西欧与东欧欧洲野苹果构成单系支，但无法明确酿酒苹果与新疆野苹果、鲜食苹果的亲缘远近。对各群体设置相同样本量的重复 ASTRAL 分析，均稳定得到两种替代的物种树拓扑结构（图 S2D）。东欧、西欧欧洲野苹果、新疆野苹果–东方野苹果、酿酒苹果、鲜食苹果的遗传分化程度均较低，进一步支持其近期分化与 / 或持续基因流的演化特征（图 S2E；数据集 S1E）。

栽培苹果（DomC、DomD）的遗传多样性高于野生群体 SiOr 与 SylW（数据集 S1D），表明驯化过程未发生种群瓶颈。种群统计学推断显示，自倒数第二次冰期至全新世中期（约 1 万年前），所有类群的有效种群大小（Nₑ）均呈逐步下降趋势，随后出现分化演化（图 2A、2B、S2F）。新疆野苹果与西欧欧洲野苹果在冰期后发生种群扩张，东欧欧洲野苹果则保持相对稳定的Nₑ（图 2B）。栽培苹果中，鲜食苹果约 2500 年前发生种群扩张，酿酒苹果则出现种群收缩（图 2A）。

冰期后气候波动很可能塑造了野生苹果的种群动态，但需注意：马尔可夫溯祖模型推断的长期种群规模下降，也可能源于历史种群结构而非当前实际种群数量减少 (22)。鲜食苹果的种群扩张与其历史传播记录一致；酿酒苹果近期Nₑ下降，更可能反映现代育种导致的遗传同质化与 / 或本研究中优势主栽品种的取样偏差，而非实际种群数量收缩。上述种群动态变化均已纳入后续选择分析的校正因素。

欧洲野生苹果向栽培苹果的全基因组渐渗

以山荆子为外类群，通过帕特森 D 统计量 (23,24) 与f₄比率 (25) 分析，证实西欧欧洲野苹果向鲜食、酿酒苹果均存在显著渐渗，东欧欧洲野苹果的渐渗信号较弱。东欧欧洲野苹果与新疆野苹果间检测到少量基因流，提示欧洲野苹果祖先类群向栽培苹果基因库的基因流强度更高（图 2C、S2E；数据集 S1E）。欧洲野苹果祖先类群的大规模 “原始基因流” 也可解释前述Nₑ扩张现象 (16,26)。

五分类群 D 统计量（D_FOIL）(27) 与拓扑权重分析 (28) 进一步证实，西欧、东欧欧洲野苹果均对鲜食、酿酒苹果存在遗传贡献（数据集 S4C、S4D）。优势物种树拓扑结构显示，西欧欧洲野苹果向酿酒苹果与鲜食苹果的共同祖先发生渐渗；f-branch 统计量 (29) 与最优 qpGraph 模型 (30) 分析也支持该结论，同时鉴定出多次杂交事件，其中一次发生于酿酒苹果与鲜食苹果分化之前（数据集 S3C、S4E）。利用 fastsimcoal2 软件 (31) 对 8 种种群统计学模型（图 S8A）进行检验，最优拟合模型（G3D1、G3D2）均包含新疆野苹果向欧洲野苹果、欧洲野苹果向栽培苹果的基因流，且欧洲野苹果向鲜食苹果的渐渗强度更高（图 S8B）。但现有模型无法明确解析酿酒苹果的起源（图 2D；数据集 S1F、S4F）。综上，多种分析方法一致证实欧洲野苹果与栽培苹果类群间存在渐渗，不同方法的差异主要体现在对酿酒、鲜食苹果系统发育位置的推断，这一现象源于二者分化时间短，且不同方法对基因流的时间敏感度不同。

全基因组f₄比率显示，鲜食苹果的整体渐渗强度高于酿酒苹果（DomD=0.5011；DomC=0.4570）。染色体水平 D 统计量与拓扑权重分析表明，野生–作物渐渗在基因组上呈异质性分布（数据集 S4G、S4H）(32,33)。酿酒苹果中 13 号染色体的东欧 / 西欧欧洲野苹果杂交比例最高，鲜食苹果中则以 16 号、14 号染色体受渐渗影响最显著。滑动窗口f_d扫描 (34) 鉴定出高渐渗区域（数据集 S4I），这些区域富集氮代谢、萜类生物合成、类固醇生物合成相关基因（图 S3B）。对这些区域的基因进行韦恩比较，发现酿酒与鲜食苹果既有共享位点，也有特异位点，提示渐渗基因具有潜在功能分化（图 S3A）。

酿酒、鲜食与野生苹果的正选择与平衡选择分化

本研究整合多种互补方法检测不同选择模式：采用 OmegaPlus 与 RAiSD 检测硬清除，G12/G123 检测硬清除与软清除，BetaScan2 检测平衡选择。这些方法可捕获各群体内独立或重叠的选择信号，全面解析选择压力（图 3B、3C；表 1）。

多数正选择基因具有群体特异性，仅 27 个基因为酿酒与鲜食苹果共享，包括果实品质、抗病性、开花时间相关基因（图 3A；数据集 S2A、S2B）。本研究共鉴定 81 个平衡选择基因，其中 44 个为各群体共享（图 3C；数据集 S2C），包括MdDREB2等胁迫响应基因（图 S4B）(35)。此外，23 个平衡选择基因为栽培苹果与欧洲野苹果（SylE/SylW）特有共享，包括开花相关基因MdVIP5（MD04G1191400）(36)（数据集 S2C）。酿酒苹果（DomC）的软清除与平衡选择信号更多，鲜食苹果（DomD）则富集硬清除信号（表 1）。酿酒苹果不含果实大小基因fs15.1(15,20)，但具有RPW8-NBS等特异平衡选择靶基因（图 S4C）(37)；鲜食苹果则包含 2 个抗病基因与 8 个受硬清除的开花基因。

野生群体（尤其是西欧欧洲野苹果）的平衡选择基因数量多于栽培苹果（表 1；数据集 S2C），野生类群的正选择主要靶向多个 NBS-LRR 基因（图 S5）。

驯化过程的选择作用既作用于少量共享的驯化相关性状，也靶向大量群体特异位点。酿酒苹果的软清除与平衡选择比例更高，符合遗传多样性更广泛保留的特征；鲜食苹果则经历更强的定向选择。为验证选择信号的功能相关性，本研究整合了同质砧木嫁接、统一环境栽培的野生与栽培苹果转录组数据，将栽培苹果与野生苹果的差异表达基因与正选择基因交叉比对，筛选出 88 个驯化相关选择候选基因，其表达差异得到正交验证（数据集 S2A）。

差异化适应性渐渗塑造酿酒与鲜食苹果的果实品质位点

利用 RFMix 软件 (38) 进行局部祖先溯源，结果显示酿酒与鲜食苹果的新疆野苹果祖先占比均较高；但酿酒苹果硬清除区域的西欧欧洲野苹果祖先富集度更高，鲜食苹果各类清除区域的东欧欧洲野苹果祖先占比更高（数据集 S4J、S4K）。*Q95_SiOr* 统计量 (39)（即供体欧洲野苹果中衍生等位基因频率为 100%、新疆野苹果中 < 10% 的 SNP，在栽培苹果中衍生等位基因频率的 95% 分位数）在酿酒苹果中呈双峰分布，在鲜食苹果中峰值更低（数据集 S4N），反映二者具有不同的适应性渐渗历史。

整合f_d统计量、拓扑权重（数据集 S4M）、RFMix 与 Q95 分析（数据集 S4N），本研究在酿酒苹果中鉴定 14 个、鲜食苹果中鉴定 23 个适应性渐渗区域。通过 PCA（dudi.pca）与层级聚类（hclust）结合 Genotype Plot 软件 (40) 对单倍型进行聚类分析，评估群体聚类与野生供体祖先共享模式（数据集 S2D、S5）。值得注意的是，酿酒苹果在 17 号染色体上的单倍型与多个西欧欧洲野苹果个体聚类，该区域覆盖果实质地数量性状位点（QTL）（图 4A、4B）；鲜食苹果则在 16 号染色体上与单个西欧欧洲野苹果个体聚类，该区域包含酸度标记基因Ma(42)（图 4C、4D）。

适应性渐渗塑造了关键果实品质位点，酿酒与鲜食苹果利用不同的野生祖先供体，经历差异化的选择动态。

选择与渐渗降低栽培苹果的有害突变负荷

苹果基因组中未检测到 GERP-RS 评分 > 2 的高度保守位点 (43)，该阈值常用于鉴定保守基因组区域的有害突变 (44,45)。由于基于蔷薇目近缘物种的 GERP 分析可能低估长期保守约束，本研究主要采用 SIFT 4G 软件估算突变负荷 —— 该方法不依赖系统发育，是功能有害性预测的通用验证工具 (46)。栽培苹果的杂合与纯合相对有害突变负荷均低于野生近缘种（图 5A）。酿酒苹果的杂合突变负荷高于鲜食苹果，纯合负荷则无显著差异（图 S6A、S6B）。所有群体的有害变异均以杂合状态为主（图 5A）。

欧洲野苹果的渐渗（尤其是东欧欧洲野苹果向鲜食苹果、西欧欧洲野苹果向栽培苹果的渐渗）与纯合有害突变减少相关（图 5B）。硬清除与软清除区域的非渐渗区段，有害突变数量也低于对照区域（图 5C）。鲜食苹果硬清除区域的渐渗基因中有害突变显著耗竭，酿酒苹果则无此现象。

栽培苹果（尤其是鲜食苹果）的有害突变负荷低于野生近缘种，这一现象很可能源于选择作用与渐渗的共同效应。

GWAS 分析证实酿酒与鲜食苹果的表型分化

为验证性状关联位点是否与选择、渐渗区域重叠，本研究利用 GAPIT v3 软件（BLINK 模型；K 与 K+Q 协变量）对部分酿酒、鲜食苹果的开花时间最佳线性无偏预测值（BLUP）进行 GWAS 分析 (47,48)。两个 SNP 位点超过错误发现率（FDR）与邦费罗尼校正阈值：9 号染色体 Chr09:24,880,275（p=1.11×10⁻¹⁶，表型变异解释率 PVE=92.4%）、8 号染色体 Chr08:21,795,100（p=1.51×10⁻¹³，PVE=87.7%）（图 6A、6B）。8 号染色体位点距离超长链脂肪酸合成与冷响应相关基因ACC1（MD08G1178000）约 2.6 kb (49)；9 号染色体 SNP 距离 O - 岩藻糖基转移酶基因（MD09G1220000；SPINDLY 类激素信号通路基因 (50)）约 10 kb，该区域包含 HODOR 转座子（TE），提示其存在潜在调控效应。9 号染色体位点的基因型分布可清晰区分酿酒苹果与其他类群（尤其是欧洲野苹果）（图 6C、6D；数据集 S2E）。该位点的酿酒苹果–西欧欧洲野苹果f_d值超过全基因组上四分位数（Q3），提示存在局部渐渗，符合野生–作物起源特征（图 S7）。这两个位点均不与选择清除峰重叠，表明开花时间分化可能源于调控变异或多基因效应，无法被经典选择扫描方法捕获。

讨论

选择作用、渐渗与种群统计学过程共同塑造了栽培苹果的基因组。尽管中性位点的全基因组分化较弱、杂交现象普遍，但苹果的鲜食与酿酒栽培类型仍形成独立基因库，其遗传起源主要为新疆野苹果–东方野苹果类群，而非欧洲野苹果 (13,20)。值得注意的是，尽管两个栽培类群遗传分化明确，但现有数据仍无法区分酿酒苹果的多种进化起源模型。本研究未发现栽培苹果存在驯化瓶颈，这与其他多年生植物的研究结论一致 (3–5)。种群统计学推断显示，鲜食苹果近期发生种群扩张，酿酒苹果则相对收缩；同时新疆野苹果–东方野苹果、西欧欧洲野苹果在冰期后扩张，东欧欧洲野苹果保持种群稳定 (51,52)。欧洲野苹果的种群动态与其冰期后系统地理历史吻合：末次冰盛期，欧洲野苹果退缩至南欧、巴尔干、喀尔巴阡等多个南部与东部避难所，气候回暖后向北、向西重新定植，形成西欧地区大规模扩张的遗传类群，而东欧种群更靠近避难所，种群动态更稳定 (53)。上述遗传结构反映了历史气候变化与自然基因流共同塑造欧洲范围内种群分化的进化格局。本研究在选择分析与 GWAS 分析中均对种群历史进行校正，以降低亲缘关系与种群结构带来的偏差 (47,48)。

本研究揭示了多年生作物中差异化的选择模式：酿酒苹果的软清除与平衡选择比例更高，符合遗传多样性更广泛保留的特征；鲜食苹果则在果实品质、抗病性、开花基因上表现出更多硬清除信号 (15,54–58)。鲜食与酿酒苹果的选择清除模式差异，与其他多年生果树的驯化轨迹一致。例如，葡萄的鲜食与酿酒葡萄具有部分重叠但独立的选择清除位点，反映鲜食葡萄的果实大小、质地、糖分、采后性状，与酿酒葡萄的发酵相关性状经历了定向分化选择 (59)。尽管历史记载显示酿酒苹果的利用早于鲜食苹果 (60)，但近期研究 (13) 与本结果均证实，二者遗传亲缘关系极近。种群统计学推断进一步提示，酿酒苹果的分化时间可能晚于鲜食苹果（图 2D）。酿酒苹果分化时间更晚，不仅正选择基因数量略少于鲜食苹果，还富集更多可快速固定的软清除信号。上述结果表明，选择清除数量的差异并非仅反映利用历史的时间长短，还可能源于分化时间近、持续基因流与各群体靶向性状的差异。此外，野生苹果群体（尤其是西欧欧洲野苹果）的平衡选择信号远多于酿酒苹果，这与自然群体的演化特征相符 (61)。转录组分析验证了上述推断：大量选择候选基因在栽培与野生苹果间差异表达，表明选择作用同时重塑了基因序列与表达模式。

除选择作用外，野生近缘种的渐渗对苹果的多样性形成与适应性进化发挥核心作用。局部祖先溯源结果显示出清晰的不对称性：酿酒苹果硬清除区域富集西欧欧洲野苹果祖先，鲜食苹果则在硬、软清除区域均富集更多东欧欧洲野苹果祖先。渐渗变异的频率谱进一步揭示了差异化动态：酿酒苹果中，欧洲野苹果来源的单倍型集中于硬清除区段，呈双峰分布（大量趋近固定，大量仍为低频），符合少数优势区段受强选择的特征；鲜食苹果中，渐渗等位基因更常以中等频率保留，并与软清除信号共存，符合弥散式多基因适应特征—— 重组打破单倍型，限制单一区段固定 (13,62)。典型案例为 9 号染色体上主导开花时间的 SNP 位点，该位点位于 SPINDLY 类 O - 岩藻糖基转移酶基因附近（该基因参与激素信号调控开花通路 (50)），嵌入酿酒苹果–西欧欧洲野苹果渐渗区段，紧邻参考基因组 GDDH13 中的 HODOR 长末端重复（LTR）转座子 (18)，提示野生起源的顺式调控变异可能是物候分化的遗传基础。值得注意的是，这两个 GWAS 位点均不与选择清除峰重叠，表明开花时间分化可能源于调控变异或多基因效应，无法被经典选择扫描方法捕获。这一结果提示，GWAS 可鉴定出选择扫描遗漏的位点，为解析驯化相关性状的基因组结构提供互补信息。

栽培苹果的预测有害等位基因数量少于野生近缘种，这与多数一年生作物、葡萄的驯化规律相反 (3,6,7,63,64)，但与梨等其他多年生果树的研究结果一致 (65)。鲜食苹果硬清除渐渗基因中有害变异的耗竭，结合软清除区域相对更高的突变负荷，表明选择作用与野生基因流共同降低了遗传负荷，同时实现适应性进化。尽管长期无性繁殖可能掩盖部分隐性有害等位基因，但祖先溯源、选择模式与突变负荷降低的一致性，证实关键区域发生了真实的有害突变清除，而非简单的隐性遮蔽效应。上述规律凸显了多年生与一年生作物驯化的核心差异：多年生果树的驯化通常需要多年持续表型评价与多轮选择，优良基因型才会被保留并繁殖；结合快速连锁不平衡衰减与大有效种群大小的特征 (66)，这种长期选择筛选可削弱希尔–罗伯逊干涉（Hill-Robertson interference）效应，降低适应性等位基因与邻近有害变异的连锁程度 (67)。因此，纯化选择可更高效地清除有害突变，即便在强选择清除区域亦是如此。本研究提出，多年生果树独特的驯化动态结合野生近缘种的反复渐渗，可在实现适应性进化的同时，限制连锁有害变异的积累，这也是栽培苹果选择区域遗传负荷耗竭的核心原因。

本研究基于欧洲野苹果全分布范围的广泛取样，完善了野生–作物供体的演化历史 (13,62,68)，证实苹果驯化融合了经典硬清除（孟德尔式性状）与来自现有遗传变异、渐渗变异的广泛多基因适应，其中大量变异无法被标准选择扫描方法检测。未来研究可扩大栽培苹果的取样范围（尤其是西欧、北欧样本），解析各栽培类群的全基因组多基因效应 (62,69)。同时，整合等位基因特异性表达、核苷酸与结构变异（包括转座子）的甲基化修饰，将有助于区分多年生驯化中调控区与编码区的作用，为全球气候变化背景下的苹果育种与种质资源保护提供等位基因筛选依据。

资源获取

如需进一步信息与资源，请联系通讯作者 Amandine Cornille（[email protected]）。

材料可用性

本研究生成的所有测序数据已提交至 NCBI，生物项目号：全基因组测序（Illumina 平台）为 PRJNA1252109，转录组测序数据（Illumina 平台）为 PRJNA1297608。

分析代码与工作流可访问：https://github.com/CornilleEclecticLab/Apple-domestication_population_genomics。

本研究报道数据的重新分析所需补充信息，可向通讯作者索取。

图表注释汇总

图 1 欧亚大陆栽培与野生苹果的种群遗传结构及变异

（A）基于 fastSTRUCTURE（K=6）推断的 201 份栽培与野生苹果种群结构。每个个体以垂直柱表示，柱体按 K 个聚类的祖先比例分割。野生个体按地理从西至东排序，来源国标注：DNK 丹麦、FRA WEST 法国西部、FRA EAST 法国东部、DEU 德国、AUT 奥地利、ROU 罗马尼亚、MKD 北马其顿、ITA 意大利、ARM 亚美尼亚、KAZ 哈萨克斯坦、CHN 中国。6 个遗传聚类分别为：酿酒苹果（粉色）、鲜食苹果（橙色）、西欧欧洲野苹果（蓝色）、东欧欧洲野苹果（黄色）、新疆野苹果–东方野苹果（红色）、山荆子（绿色）。

（B）各采样点所有野生个体、酿酒 / 鲜食品种（地图左下角）在 K=6 下的 fastSTRUCTURE 平均祖先系数饼图。饼图大小与样本量成正比。

（C）基于 fastSTRUCTURE（K=6）的野生与栽培苹果邻接网络进化树。颜色对应 K=6 的遗传类群，杂交个体（祖先系数 < 80%）以灰色显示。

（D）解析野生与栽培苹果遗传变异的 PCA 图。坐标轴标注前两个主成分的总方差解释比例。所有分析基于 201 份苹果基因型的 31,300 个无连锁同义 SNP。

图 2 野生与栽培苹果种群的分化及种群统计学历史

（A）SMC++ 推断的酿酒苹果（DomC）、鲜食苹果（DomD）、新疆野苹果（SiOr）有效种群大小随时间的变化。

（B）SMC++ 推断的西欧（SylW）、东欧（SylE）欧洲野生苹果有效种群大小随时间的变化。主要气候事件标注：倒数第二次冰期（红色）、末次冰期（绿色）、末次冰盛期（垂直虚线）。

（C）5 个苹果群体的帕特森 D 统计量（ABBA-BABA 检验）。DomC 酿酒苹果、DomD 鲜食苹果、SiOr 新疆野苹果–东方野苹果、SylE 东欧欧洲野苹果、SylW 西欧欧洲野苹果。以山荆子（Bacc）为外类群。

（D）苹果种群统计学历史示意图。fastsimcoal2 估算种群统计学参数。实线代表分化事件（灰色实线表示统计上无法区分的两种酿酒苹果分化 scenario），虚线箭头代表基因流。左侧标注 G3D1 与 G3D2 模型的分化时间（ka，千年前）。G3 模型包含：酿酒 / 鲜食苹果祖先与新疆野苹果的基因流、欧洲野苹果祖先与新疆野苹果的基因流、栽培苹果与欧洲野苹果的基因流。分化模型：D1 为酿酒、鲜食苹果均从新疆野苹果分化，酿酒苹果分化更晚，东欧欧洲野苹果从西欧欧洲野苹果分化；D2 为鲜食苹果从新疆野苹果分化，随后酿酒苹果从鲜食苹果分化，东欧欧洲野苹果从西欧欧洲野苹果分化。

图 3 栽培与野生苹果的正选择与平衡选择

（A）酿酒、鲜食栽培苹果基因组的正选择信号。不同符号与纵轴代表不同选择检验方法：从左至右依次为 log10 (ω)（方形）、log10 (μ)（圆形）、G12（三角形）、G123（叉号）。粉色（酿酒）、橙色（鲜食）标记显著选择清除信号。基因符号的正选择模式以红色（硬清除）、绿色（软清除）标注，与（B）一致。蓝色框为二者共享的正选择基因。

（B）5 个苹果群体正选择（硬、软清除）基因的 UpSet 图。左侧水平柱为各群体选择基因总数；右侧矩阵为群体交集，黑点标记群体归属，连线代表多群体共享；内嵌橙 / 绿色方块为硬 / 软清除；上方直方图为各交集的选择基因数；蓝色高亮柱为酿酒、鲜食苹果共享正选择基因集。

（C）5 个苹果群体平衡选择基因的 UpSet 图。布局同（B），展示平衡选择基因的群体分布。

图 4 酿酒与鲜食苹果正选择区域的适应性渐渗信号及典型单倍型结构

（A）酿酒苹果群体 17 号染色体（1.8–2.5 Mb）的渐渗模式。从上至下依次为：拓扑权重、f_d、局部祖先溯源、所有欧洲野苹果供体的最大 Q95 值。高亮区域为推定适应性渐渗区。

（B）（A）高亮区域放大，单倍型结构（2.123–2.172 Mb），为酿酒苹果基因组软清除区域。

（C）鲜食苹果 17 号染色体（2.8–3.5 Mb），分析内容同（A）。高亮区域为推定适应性渐渗区。

（D）（C）高亮区域放大，单倍型结构（3.148–3.220 Mb），为鲜食苹果基因组硬清除区域。左侧彩色条代表不同群体个体；左侧为 PCA 单倍型聚类树，条形图为不同群体单倍型；深绿 / 浅绿为参考 / 替代等位基因，长连续块为选择下的共享渐渗单倍型；聚类选择单倍型与野生供体个体以红点标注；上方为区域基因，基因 ID 来自 GDDH13 v1.1 基因组注释；QTL 与 GWAS 区域以红色标注。

图 5 栽培与野生苹果的突变负荷分布及渐渗对酿酒、鲜食苹果的影响

（A）5 个苹果群体的纯合、杂合突变负荷，以个体内有害 / 同义突变比值衡量。

（B）f_d与有害等位基因的相关系数热图。底部与左侧群体为f_d分析的 P2、P3 群体。

（C）酿酒（DomC）、鲜食（DomD）苹果在对照基因、硬清除基因、软清除基因的突变负荷。蓝色边框为适应性渐渗基因。纵轴为编码区（CDS）每 1000 bp 有害等位基因数。ns：p>0.05；：p≤0.05；：p≤0.01；：p≤0.001；****：p≤0.0001。Hom 纯合、Het 杂合。

图 6 栽培苹果开花时间全基因组关联分析鉴定的关联位点

（A）基于 K+Q 模型的−log10 (p) 值曼哈顿图，及 K+Q 模型的观测 / 预期−log10 (p) 值分位数–分位数（Q-Q）图。

（B）基于 K 模型的曼哈顿图与 Q-Q 图。水平实线为邦费罗尼校正全基因组显著阈值（p=7.22×10⁻⁹）；虚线为 FDR=0.05 显著阈值。

（C）不同基因型、酿酒 / 鲜食苹果群体的开花时间 BLUP 箱线图。纵轴为开花时间 BLUP 值，横轴为基因型。

（D）两个 GWAS SNP 位点在野生、栽培苹果群体的基因型分布。饼图代表各 SNP 的基因型比例，颜色对应亚群。

表 1 5 个栽培与野生苹果群体正选择、平衡选择区域的长度与基因数量

DomC：酿酒苹果；DomD：鲜食苹果；SiOr：新疆野苹果–东方野苹果；SylE：东欧欧洲野苹果；SylW：西欧欧洲野苹果。