研究背景

在人腦中，與精神分裂癥相關的基因組區(qū)域富集了在神經發(fā)育過程中表現出不同異構體使用的基因，RNA剪接是將遺傳變異與精神疾病聯系起來的關鍵機制。剪接圖譜在大腦中特別多樣，很難準確識別和量化。短讀長RNA-Seq方法不能準確地重建和定量大多數轉錄物和蛋白質異構體，為解決這一挑戰(zhàn)，本文將long-range PCR和nanopore全長轉錄組測序與一種新的生信分析流程結合。

CACNA1C是一種精神危險基因，編碼電壓門控鈣通道CaV1.2，CACNA1C基因很大而且很復雜，至少有50個注釋外顯子和31個預測的轉錄本。它的大小和復雜性使得用標準的基因表達方法準確鑒定和量化轉錄本變得極其困難，本文在人腦中鑒定了CACNA1C的全長編碼轉錄本，識別了38個新的外顯子和241個新的轉錄本，對異構體多樣性的詳細了解對于將精神病學基因組發(fā)現轉化為病理生理學見解和新的精神藥理靶點至關重要。

研究方法

樣本：來自利伯腦發(fā)育研究所儲存庫的三名成年捐贈者的尸檢腦組織（提取小腦、紋狀體、背外側前額葉皮質、扣帶回、枕葉和頂葉皮質的RNA，并進行逆轉錄）
測序方法：使用PCR擴增CACNA1C全長CDS，使用MinION進行測序
分析流程：https：//github.com/twrze/TAQLoRe

研究結果

1、CACNA1C有很多外顯子和異構體

由于CACNA1C的復雜性，本文使用了兩種互補的方法來鑒定轉錄本：外顯子水平和剪接位點水平的分析，分析流程見補充圖2。該方法共鑒定了251種存在于人腦中獨特的CACNA1C轉錄異構體，其中241種是新的，包括使用新的外顯子，新的剪接位點和連接。

補充圖2

在CACNA1C基因座內總共注釋了39個潛在的新外顯子，其中38個在至少2個人或組織中被識別，并在每個文庫中得到至少5條nanopore reads的支持（圖2A）。通過PCR和Sanger測序確認了新的外顯子與其周圍的注釋外顯子之間的剪接連接，從而驗證了四個新的外顯子。這種新的外顯子的成功驗證提供了很高的可信度，即通過納米孔測序鑒定的新的外顯子是真實的，并且被整合到CACNA1C轉錄本中。表達量最高的10條轉錄本中，有9條是新的且其中有8條被預測保持CACNA1C閱讀框架，這表明這些最豐富的新轉錄本中有一些編碼功能不同的蛋白質異構體（圖2B,C）。這些結果表明，新的CACNA1C轉錄本表達豐富，數量也很多，目前的注釋缺少許多最豐富的CACNA1C轉錄本。

圖2

通過設置轉錄本的高置信度，在6個大腦區(qū)域確定了90個高可信的CACNA1C轉錄本，包括7個先前注釋的(GENCODE V27)和83個新的(補充圖3)。7個新的高置信度轉錄本包含新的外顯子，而其余76個包含以前未描述的連接和連接組合。

補充圖3

上述外顯子水平的轉錄本鑒定方法為鑒定新的外顯子和表征全長轉錄本結構提供了穩(wěn)健和保守的手段。使用了更為保守的依賴于連接處無錯誤映射所支持的連接的識別，以及規(guī)范剪接位點的方法，確定了497個新的剪接位點，其中393個由至少10條reads支持，這些剪接位點，在篩選了至少24條reads支持的轉錄本后，鑒定了195個轉錄本，其中111個被預測為編碼的。

2、CACNA1C亞型在不同腦區(qū)的表達譜不同

小腦、紋狀體與皮質等組織觀察到了CACNA1C轉錄本差異，但在不同個體之間的表達是相似的。在小腦中觀察到了明顯的轉錄本表達轉換；在小腦之外，ENST00000399641是主要的轉錄本，而在小腦中，ENST00000399641和CACNA1C n2199的表達水平相似。

圖3 C

3、預測新isoforms對CaV1.2蛋白模型的影響

CACNA1C編碼CaV1.2 的主要成孔亞基。鈣孔由24個跨膜重復序列組成，由細胞內環(huán)連接成4個結構域(I-IV)(圖4A)。在我們鑒定的83個新的外顯子水平的轉錄本中，51個可能編碼功能性的CaV1.2通道?；疑娇虮硎拘碌?、框架內的插入和刪除的位置（值表示包含每個isoforms的reads的平均比例）。使用兩種分析方法（外顯子水平和剪切連接水平）鑒定變體的情況，外顯子水平計數用于得出豐度(紅色文本)；僅使用剪接位點水平方法鑒定的變體用藍色文本表示。包含三個微缺失的蛋白質異構體的數量：(I)在I-II接頭中，(Ii)在IV4-5接頭中，以及(Iii)在IV3-4接頭中先前報道的微缺失(圖4B)。

圖4

總結

長讀長測序技術的快速發(fā)展為準確獲得轉錄多樣性提供了可能，因為每一條read都包含一個完整的轉錄本。這對于具有復雜模型的基因尤其重要。由于CACNA1C剪接產生的CaV1.2蛋白對現有的鈣通道阻滯劑表現出不同的敏感性，因此有可能選擇性地針對疾病相關的CACNA1C亞型和/或那些在大腦與外周差異表達的CACNA1C亞型，提供既更有效又更無外周副作用的新型精神藥物。綜上，這些觀察結果證明了ONT長讀長測序對于準確描述轉錄本結構和選擇性剪接的重要性。

參考文獻：
Clark Michael B,Wrzesinski Tomasz,Garcia Aintzane B et al. Long-read sequencing reveals the complex splicing profile of the psychiatric risk gene CACNA1C in human brain.[J] .Mol. Psychiatry, 2020, 25: 37-47.

圖1 開心果基因組進化

2.?開心果應激適應相關的擴張基因家族

為了揭示開心果表型（如耐鹽性）的遺傳基礎，利用OrthoMCL通過識別不同植物之間獨特和共同的基因家族來研究基因家族的進化。開心果與擬南芥、柑橘、雷蒙德氏棉、葡萄相比有9735個共有基因家族，而含有1381個基因的707個開心果有特基因家族。對這些基因進行GO與KEGG富集分析，并都發(fā)現了許多與“防御反應”有關的基因，其中包括許多包含NB-ARC domain和NBS-LRR domain的基因。這種基因以植物抗病性著稱，對開心果的防御反應具有相當重要的意義。

接下來，作者研究了開心果基因家族的擴張和收縮（圖1c）。由于很難從基因家族規(guī)模的收縮或與未在該參考基因組中成功組裝的基因有關，這里只分析了擴展的基因家族。對擴展基因家族的基因富集分析發(fā)現，它們在代謝類別中豐富，如萜類、黃酮類、倍半萜類和生物堿的生物合成?；蚣易宓臄U展發(fā)生在長期進化之后，并推動了黃連木屬和柑橘屬之間的進化差異，而不是開心果從野外馴化的非常短期的進化。因此，我們認為上述基因的擴展可能與野生黃連木中有機化合物的代謝有關。野生黃連木的植物化學篩選發(fā)現了許多植物化學物質，如生物堿、黃酮、香豆素、甾醇、單寧、萜類和倍半萜類。

此外，豐富的術語“氧化還原過程”包含許多細胞色素P450基因，這些基因編碼參與多種功能復雜代謝途徑的蛋白質，并在多個過程中發(fā)揮重要作用，特別是在應激反應中發(fā)揮作用。在187個細胞色素P450基因中，我們發(fā)現許多可能具有耐鹽功能。例如，透水性研究發(fā)現，CYP94家族基因表達水平的升高可減輕水稻的茉莉酸反應，增強水稻的耐鹽性。在開心果的這些擴張基因家族中，有14個CYP94基因。大豆中，CYP82A3參與茉莉酸和乙烯信號通路，增強對鹽堿和干旱的抗性，開心果擴張基因家族中有20個CYP82基因成員。毛果楊CYP714A3的異位表達增強了水稻的耐鹽性，開心果擴張基因家族中有10個CYP714A基因。因此，一些細胞色素P450基因可能與開心果的耐鹽性有關。

3.?RNA-seq揭示了開心果鹽適應的遺傳機制

進一步研究開心果的耐鹽性潛在遺傳機制，研究者進行了鹽度實驗。開心果砧木（P.vera?L.cv.Ohadi）的葉和根在正常條件和鹽度條件下進行RNA測序。使用Tophat-Cufflinks-Cuffdiff?pipeline，在鹽水條件下處理的植物與對照之間表現出差異表達，鑒定214和461蛋白質編碼基因分別在葉和根組織中（ncontrol = 3, nsalinity = 3, corrected P < 0.05,）。基因富集分析發(fā)現許多差異表達基因（31個基因）參與到“氧化還原進程”中（圖2a，b）。像比較基因組分析一樣，該類別中的15個基因是細胞色素P450基因，特別是CYP74A（即AOS），其編碼細胞色素P450 CYP74基因家族的一個成員，其起到丙二烯氧化物合酶（AOS）的作用。這種酶催化茉莉酸酯合成中的第一步[即茉莉酸（JA）]。AOS中每千堿基外顯子的表達片段（FPKM）值在葉片中從對照中的近0增加到鹽水條件下的2163.75，在根中從對照中的1.87增加到鹽水處理的87.74。研究者還發(fā)現了7個差異表達的基因(ChiC, TT4, ILL6, MYB108, MYB6, PRB1, and TIFY5A)被富集到“茉莉酸反應”中。以前的研究表明，干旱和高鹽度導致水稻葉片和根部JA含量增加。鹽度處理可以增加濕地物種鳶尾（Iris hexagona）中的內源JA水平。茉莉酸酯激活植物對生物脅迫（即病原體攻擊）和非生物脅迫（即鹽）的反應。在此，用鹽水處理增加了在葉和根中參與茉莉酸反應的這些基因的表達水平（圖2c）。這些基因的表達增加（例如，AOS作為酶催化茉莉酸酯合成中的第一步）應該增加茉莉酮酸酯的合成，因此，它們很可能被開心果用于應對鹽脅迫。

差異表達的基因富集到“幾丁質結合”，其中四種基因編碼幾丁質酶(CHIB, EP3, ChiC, AT2G43590)。植物幾丁質酶涉及多種生物系統(tǒng)。植物中的一些幾丁質酶是針對環(huán)境脅迫（如高鹽濃度，寒冷和干旱）而表達的，并且可以通過植物激素如乙烯，茉莉酸和水楊酸來上調。例如，基因ChiC編碼V類幾丁質酶，其表達可由茉莉酸和擬南芥鹽度引起的脅迫來誘導。研究者的轉錄組學分析表明，編碼幾丁質酶的基因和參與JA生物合成途徑的基因可能有助于開心果適應鹽水環(huán)境。

?圖2 鹽處理下開心果的轉錄組數據分析

4.?不同野生種間混和

為了研究開心果的種群歷史和適應性進化，研究者對107個開心果基因組進行重測序，包括93個品種和14個野生開心果，平均測序深度為6-8X。作者還重新測序了來自不同近緣種的35個基因組，包括P.mutica，P.khinjuk，P.integerrima和P. palaestina。用stringent GATK pipeline，發(fā)現14.77百萬個單基因變異位點，其中2.42百萬個在基因區(qū)。使用鄰近法和最大似然法的系統(tǒng)發(fā)育分析清楚地分離了5種不同的種群，即?P.vera, P.mutica, P. khinjuk, P. integerrima, and P. palaestina。通過TreeMix程序在一些物種之間檢測到漸滲的信號，這表明雜交可能在自然界中的不同近親之間發(fā)生，并且與植物中被發(fā)現的普遍雜交一致。然而，從其他開心果物種到馴化的開心果沒有檢測到漸滲，這種現象來源于野生的P. vera（圖3）。

?圖3 不同野生種間的基因漸滲

5.?開心果兩步馴化歷程

基于重測序數據，研究人員推測了這些物種的有效群體大小的變化，并發(fā)現在 Pleistocene期間發(fā)生了瓶頸事件，且在 ~200 kyr前，有效群體大小增加。系統(tǒng)發(fā)育樹顯示馴化和野生開心果之間的分離（圖4a）。利用δaδi推算野生和馴化開心果的分化時間在 ~8000年前，這與早在公元前6750年就表明開心果種子是一種常見的食物這一考古記錄相似。為了深入了解開心果種質之間的遺傳關系，研究人員進行了兩項經典分析：群體結構和主成分分析（圖4b，c）。這些分析清晰的顯示栽培種質分為兩個群。栽培種Group I的LD最高，栽培種Group II和野生開心果的LD衰減值相近。Group II包括 Qazvini，Italiaei和Badami

Zarand在內的5種類型的個體，且這些種質被記錄為古代具有種子的材料（圖4d）。與系統(tǒng)發(fā)育樹一致，這三個品種含有較高比例的野生血統(tǒng)（圖4e）,這些結果支持了其兩步馴化的過程，初步馴化，然后通過作物育種進行改良。

圖4 野生和馴化開心果的系統(tǒng)發(fā)育關系分析

6.?開心果馴化的遺傳機制

群體核苷酸多態(tài)性θπ分析揭示了馴化型種質的核苷酸多態(tài)性低于野生型種質，通過分析發(fā)現，栽培種質中基因組上的一些區(qū)域的多態(tài)性降低，這些區(qū)域可能含有受到人工選擇的基因。此外，研究人員鑒定了栽培型和野生型樣品分化水平增加的區(qū)域。在馴化和野生的開心果之間，在基因組上約有9.2 Mb的區(qū)域被鑒定為具有高水平的群體分化。栽培種間遺傳多樣性降低，且超過95%的閾值。遺傳多樣性減少的區(qū)域和群體分化增強的區(qū)域在馴化或育種過程中經歷了選擇性清除。共計有665個基因定位在該區(qū)域。研究人員定位了受正向選擇的候選基因，其可能與馴化過程中重要的表型進化相關。在開心果馴化的過程中，其樹形大小經歷了人工選擇（圖5a）。研究人員發(fā)現了基因SAUR55（圖5b），編碼生長素應激蛋白，在植物的生長過程中發(fā)揮重要的作用，其在開心果的人工選擇下進化而來。除此之外，基于也和根的轉錄組數據分析結果顯示，馴化種與野生種相比，基因SAUR55表現出了顯著增加的表達水平（圖5c）。這些結果與在其它作物（如水稻和小麥）中生長素應激性基因的選擇性清除的研究結果一致，并揭示了在作物馴化期間類似特征性狀的人工選擇。果實重量是作物馴化和育種期間最重要的特征之一，包括開心果。在栽培種中，品種成分與果實重量呈正相關（圖4e）。這支持了一個結論，在開心果中，果實重量的人工選擇發(fā)生在馴化與人工選擇期間。研究人員指出，基因CYCD7-1在人工選擇的進化下，野生種和馴化的栽培種之間具有高度的群體分化特征。該基因編碼D型細胞周期蛋白，控制細胞分裂及種子發(fā)育過程中的生長率。CYCD7-1基因的過表達包括在胚胎和胚乳中的細胞增殖和細胞增大，其在擬南芥中導致種子過度生長?；?em>CYCD7-1在花粉和早期發(fā)育中顯示特殊表達，但在葉和根中沒有表達。因此，有希望在未來的實驗中比較野生型和馴化型開心果在花粉和早起發(fā)育時期CYCD7-1基因的表達，研究人員提出在CYCD7-1基因上進行的人工選擇可能會改變開心果的重量。

?圖5 開心果果樹大小的人工選擇

結論

本研究為開心果的局部適應和馴化提供了遺傳學基礎。黃連木屬物種基因組序列有助于未來的研究，以了解沙漠作物農藝和環(huán)境相關性狀的遺傳基礎。

如果您的科研項目有問題，歡迎點擊下方按鈕咨詢我們，我們將免費為您設計文章方案。

摘要概述

A high-quality, chromosome-scale Tartary buckwheat genome sequence of 489.3 Mb is assembled. A new buckwheat lineage-specific whole genome duplication is discovered. The reference genome facilitated the identification of many new genes predicted to be involved in rutin biosynthesis and regulation,aluminum stress resistance, and in drought and cold stress responses.

研究背景

苦蕎也叫苦蕎麥（Fagopyrum tataricum）是蓼科蕎麥屬作物，雖然我們習慣認為它屬于麥類，但其實他并非禾本科而是蓼科。苦蕎性喜陰濕冷涼，多種植于高山地域，一般垂直分布為海拔1200～3500m。所以苦蕎具有很高的抗逆性，尤其是在抗寒和抗干旱方面?？嗍w是藥食兩用的作物，苦蕎麥性味苦、平、寒, 有益氣力、續(xù)精神、利耳目、降氣寬腸健胃的作用。能降血壓、降血糖、降血脂, 改善微循環(huán)等作用, 又稱“三降”食品。其主要藥用成分為蘆丁，該文章也對蘆丁的生物合成進行了研究。

測序材料

韃靼蕎麥（Fagopyrum tataricum cv. Pinku1），2n=2X=16；

測序方法

Illumina、BioNano、PacBio、Hi-C、fosmid

研究內容

1.基因組組裝和注釋
苦蕎通過K-mer預估基因組大小約為489Mb，流式細胞儀預估為540Mb。共組裝出來489.3Mb的基因組序列，共8778個Contigs，Contig N50=550.7kb。通過Hi-C數據將436.4Mb的序列錨定到8條染色體上（定位比例為89.18%）。然后再通過光學圖譜數據進行校正。三代數據的準確性通過二代評估為99.96%，并且在基因區(qū)具有更少的錯誤存在。

共預測得到33366個基因，平均每100Kb具有6.8個基因。非編碼RNA注釋結果為278 miRNAs, 1,395 tRNAs, 455 rRNAs, and 518 snRNAs。通過注釋已組裝基因組的50.96%為重復序列，其中LTR的比例占全基因組的38.64，包含Gypsy (30.52%) 和 Copia (5.48%)。

圖1 苦蕎基因組circle圖

2.系統(tǒng)發(fā)育和全基因組復制事件分析
苦蕎與擬南芥、可可、大豆、葡萄、楊樹、馬鈴薯、番茄以及單子葉的水稻和玉米構建系統(tǒng)發(fā)育進化樹，見下圖。此外還進行基因家族聚類分析，找出共同和特有的基因家族。

圖2 苦蕎系統(tǒng)發(fā)育進化樹

通過苦蕎與擬南芥、苦蕎與甜菜進行分析，通過Ks計算發(fā)現苦蕎經歷了全基因組復制事件，近期是在下圖0.84-0.92之間，而更古老的一次復制發(fā)現在64.42~70.77 Mya。而全基因組復制事件的發(fā)生，也導致了很多與抗逆相關基因家族的擴張或者保留。這也與后期苦蕎的抗逆性有一定關系。

圖3 苦蕎全基因組復制事件

3.參與蘆丁合成基因的鑒定
蘆丁的生物合成具有特殊的意義，而苦蕎被認為是這種有益的類黃酮的主要食物來源?？喔墒w麥營養(yǎng)生物質中含有3%的蘆丁。通過比較基因組以及不同生長部位的轉錄組測序，發(fā)現原來所不知道的全長蛋白CHI(FtPinG0002790600)和f3h(FtPinG0006662600)。

圖4 蘆丁生物合成途徑的研究

4.苦蕎抗逆性研究
該研究還發(fā)現苦蕎中存在大量與植物耐鋁、抗旱和耐寒相關的新基因，其中產物包括一些轉運蛋白以及相關的轉錄因子。

小編總結

本文研究了苦蕎的基因組測序，除了三代測序還通過光學圖譜和Hi-C技術進一步提升基因組的組裝質量。通過比較基因組學研究明確了苦蕎的系統(tǒng)發(fā)育地位，以及通過全基因組復制事件的研究發(fā)現了抗逆基因的擴張和保留。其中結合轉錄組測序對蘆丁的生物合成途徑進行了研究。

該研究由山西農科院農作物品種資源研究所喬治軍研究員團隊聯合中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所梁承志研究員團隊及華南農農業(yè)大學王俊教授團隊共同完成，其中百邁客只參與了其中部分研究，再次祝賀各位老師取得好的成績。

參考文獻

The Tartary buckwheat genome provides insights into rutin biosynthesis and abiotic stress tolerance.

The genome sequence of allopolyploid Brassica juncea and analysis of differential homoeolog gene expression influencing selection.

一 ?研究背景

圖1.蕓薹屬禹氏三角（From Wikipedia）

異源四倍體芥菜（AABB）屬于十字花科蕓薹屬，是重要經濟作物，主要包括菜用和油用芥菜兩大類群，種植范圍較廣，經濟價值較大。菜用芥菜主要分布在中國等東亞國家和地區(qū)，油用芥菜主要分布在印度等南亞國家和地區(qū)。芥菜是“禹氏三角”中重要的一員，由白菜和黑芥雜交后加倍而來，至少發(fā)生了三次古多倍化事件，因此非常具有研究價值。但是由于其為異源多倍體，相關的全基因組測序工作一直很難開展。來自浙江大學、北京百邁客等單位的團隊共同合作，利用新的測序技術（PacBio+BioNano），成功的組裝出高質量的芥菜基因組圖譜，為進一步改良芥菜的農藝性狀提供了基礎，為多倍體物種遺傳育種提供了新的方向。同時，也從多角度論證了芥菜A亞基因組起源問題，揭示了多倍體亞基因組間同源基因表達與選擇機制。

二 ?研究方法

1、組裝
基于文章設計，我們選取菜用芥菜的一個變種（榨菜），使用二代測序和三代測序相結合的方法進行初步組裝，然后利用光學圖譜進行校正，得到了一版高質量的芥菜基因組，其中contig N50 由 28Kb 提升到61Kb ，scaffold N50 由710k 提升到1.5Mb.基因組完整性達到85%。另外我們還利用二代測序技術組裝了一版黑芥的基因組，基因組大小為591Mb，完整度為68%。
然后利用遺傳圖和光學圖譜對A、B亞基因組進行區(qū)分,整體掛載效果非常好，A為91.48%，B為72.32%。利用光學圖譜和遺傳圖譜對基因組進行區(qū)分，為其他多倍體物種基因組研究提供了參考。

2、基因組注釋情況
在高質量的基因組的情況下，我們采用從頭+同源+轉錄組結合的方法在芥菜基因組中獲得了80050個編碼蛋白的基因，其中有97.8%的基因可以注釋到Nr庫。另外黑芥基因組預測出來49826個編碼蛋白的基因，其中94.7%可以注釋到Nr。重復序列部分芥菜A基因組中重復序列比例為44.25%，B為52.37%。芥菜基因組特征情況見下圖:

三 ?研究結果

1、芥菜A亞基因組起源問題
芥菜的基因組是異源四倍體（AABB），在“禹氏三角”中由白菜（AA），黑芥（BB）雜交后加倍形成，在演化過程中變異類型非常豐富。問題是油用芥菜的AA和菜用芥菜的AA是來自同一個亞種，還是來自多個亞種呢，這個問題就是A亞基因組的起源問題。

如上圖，a中對芥菜A、白菜A、甘藍型油菜A進行共線性分析，可以發(fā)現其是高度共線的。
我們對10個菜用的芥菜、7個油用的芥菜，5個甘藍型油菜基因組、27個白菜基因組（多亞種）進行了重測序分析，并繪制如上圖b中的進化樹。從b圖中可以看到芥菜全部聚在一起，沒有出現分散的情況，說明芥菜中A的基因組是來源于同一個亞種，屬于單系起源。
C圖中對同源物種和芥菜進行了進化樹構建，并計算了芥菜分化的具體時間為3-5萬年。
除了從群體的角度研究了芥菜亞基因組A起源問題，還從PCA聚類和Fixed SNP角度驗正了單系起源的結論。

2、基因表達的dominance現象
由于芥菜基因組是異源四倍體，也就是說基因組中存在兩套非常相似的亞基因組，那么在基因表達的過程中，位于兩套亞基因組上的等位基因的表達模式是怎么樣的呢，是一起表達，是相互抑制，還是一方占主導？

通過計算等位基因的表達量，發(fā)現在不同的時期，不同組織之間，發(fā)現存在dominance基因，存在dominance的基因經受的選擇壓力大于Neutral基因（不存在dominance現象，功能非常重要，純化作用較強，不輕易突變），但是小于Subordinate基因（作用不重要，純化作用較小，易丟失）。

3、油用芥菜和菜用芥菜的選擇與分化
通過菜用和油用芥菜群體進行選擇清除分析，發(fā)現dominance的基因被篩選出來的比例較高，同時結合轉錄組數據，這部分基因在油用和菜用兩個群體中差異表達。同時通過上面的分析發(fā)現與硫苷，脂類代謝顯著相關并且存在dominance的基因組，這些基因在油用菜用群體中有各自獨特基因分型。

四 ?文章亮點

1. 多倍體復雜基因組解決方案：二代+三代+光學，組裝出高質量復雜基因組；
2. 多個角度證據解決芥菜亞基因組A亞基因組單系起源/雜交起源爭論：Asubgenome phylogenetic tree，PCA, polymprphism and fixed SNP；
3. 通過構建群體模型及貝葉斯方法評估多倍體芥菜形成時間上下限，為新多倍體物種形成時間估算提供新方法；
4. 從不同發(fā)育時期，不同組織，不同處理條件，不同進化時期多個角度系統(tǒng)分析異源多倍體dominance 現象；
5. 通過油用菜用群體選擇角度識別vegetable- and oil- use B. juncea 分化選擇區(qū)域，發(fā)現與硫苷，脂類代謝顯著相關并且存在dominance的基因組，這些基因在油用菜用群體中有各自獨特基因分型；
6. 首次找到dominance gene 與潛在農藝性狀選擇相關性的證據，為多倍體物種遺傳育種提供了新的方向和基因候選材料。

五 ?摘 要

The Brassica genus encompasses three diploid and three allopolyploid genomes, but a clear understanding of the evolution of agriculturally important traits via polyploidy is lacking. We assembled an allopolyploid Brassica juncea genome by shotgun and single-molecule reads integrated to genomic and genetic maps. We discovered that the A subgenomes of B. juncea and Brassica napus each had independent origins. Results suggested that A subgenomes of B. juncea were of monophyletic origin and evolved into vegetable-use and oil-use subvarieties. Homoeolog expression dominance occurs between subgenomes of allopolyploid B. juncea, in which differentially expressed genes display more selection potential than neutral genes. Homoeolog expression dominance in B. juncea has facilitated selection of glucosinolate and lipid metabolism genes in subvarieties used as vegetables and for oil production. These homoeolog expression dominance relationships among Brassicaceae genomes have contributed to selection response, predicting the directional effects of selection in a polyploid crop genome.

六 ?參考文獻

[1] The genome sequence of allopolyploid Brassica juncea and analysis of differential homoeolog gene expression influencing selection.

2016年8月15日，《自然-遺傳學》（Nature Genetics）雜志在線發(fā)表了中國農業(yè)科學院蔬菜花卉研究所王曉武研究組和北京百邁客生物科技有限公司合作的研究成果。借助重測序技術以及蕓薹屬祖先的染色體核型（translocation Proto-Calepineae Karyotype，tPCK），他們對蕓薹和甘藍的形態(tài)型的平行和趨同進化現象進行了深入研究，該研究最主要的成果是國際上首次發(fā)現全基因組三倍化事件是導致蕓薹類物種的形態(tài)型多樣化以及趨同馴化的原因；此外挖掘出兩個重要的商業(yè)性狀——葉片結球性狀和塊莖形態(tài)性狀的重要調控基因，為今后的分子育種工作提供遺傳基礎。

蕓薹屬包括三個二倍體物種：蕓薹（Brassica rapa）、黑芥（B. nigra）和甘藍（B. oleracea），這三個基本種經過兩兩雜交又產生了四倍體的歐洲油菜（B. napus）、非洲油菜（B. carinata）和芥菜（B. juncea），這就是“禹氏三角”。隨著人工馴化和持續(xù)的育種工作，這些物種產生了高度多樣化的形態(tài)型，例如結成球狀的葉片、膨大的塊莖（或根部、頂芽、腋芽等）。有意思的是，某些物種的形態(tài)型，盡管是在不同的地區(qū)獨立培育而成，但卻表現出相似的表型特征，這便是趨同馴化的結果。

圖1.蕓薹屬禹氏三角（From Wikipedia）

導致蕓薹屬種內形態(tài)型多樣化以及種間趨同馴化的機制是什么？這是科學家們一直在探討的問題。然而蕓薹屬的起源進化歷史也是相當的“波折”——蕓薹屬的祖先是一個具有7條染色體的二倍體，在約1200萬年前發(fā)生過一次全基因組三倍化事件，該事件導致一個具有42條染色體的古六倍體物種出現。隨后這個六倍體物種的基因組發(fā)生了廣泛的二倍體化——有時候一條染色體的一段區(qū)域轉移到另一條染色體上，有時候某個區(qū)域會丟失，更有時候連整條染色體都會消失。最終六倍體的又變回了二倍體的“模樣”，形成了現在的蕓薹屬二倍體物種分類格局?！绱藦碗s的進化歷史自然帶來不少的阻礙，所幸的是，借助于不斷發(fā)展的高通量測序技術和生物信息分析方法，科學家們能夠從基因組層面解析物種的進化機制成為可能。

在這項研究中，王曉武研究組選擇不同形態(tài)型的蕓薹199株和甘藍119株作為實驗材料，這些材料包括不同地理區(qū)域分布的13個蕓薹及9個甘藍亞群，其中涉及葉片結球型（56份大白菜，45份卷心菜），以及塊莖膨大型（54份大頭菜及19份苤藍）。應用的是Illumina?Hiseq2000測序平臺，350bp插入片段文庫，每個個體的平均測序深度均大于8X。

圖2. 系統(tǒng)發(fā)育樹構建

為了調查不同形態(tài)的品種的馴化歷史，應用兩個群體共有的6707個SNP位點構建系統(tǒng)發(fā)育樹，如圖2所示，蕓薹可以分成6個組，其中蕪菁（turnip）和野油菜（sarsons）等位于系統(tǒng)發(fā)育樹基部；大白菜（Chinese cabbage）位于最遠端，表明馴化歷史最短。甘藍群體可以劃分成7個組，其中卷心菜（cabbage）位于最遠端。從進化樹不難看出，大白菜和卷心菜雖然具有相似的葉片結球特征，卻是不同的祖先經過平行或趨同馴化產生的；相類似地，蕪菁和苤藍具有相似的塊莖膨大特征，也同樣是平行或趨同馴化的結果。

分別對蕓薹和甘藍種內結球和不結球的群體進行分析——主要通過ROD和PiHS兩個指數，共同篩選具有正選擇信號的基因區(qū)域。結果顯示蕓薹中有20個區(qū)域是ROD和PiHS共同定位到的，甘藍中是18個。進一步對這些區(qū)域進行基因注釋和富集，發(fā)現4個與植物激素應答相關的GO類別，這些植物激素對葉片形狀和極性非常重要；此外還發(fā)現影響葉片弧度的一些基因同樣受到正選擇。

進一步檢測古六倍體的亞基因組對蕓薹和甘藍結球性狀的平行或趨同進化的影響，作者將兩個物種的基因組打碎成基因單元，再根據已知的祖先染色體核型，將上述基因單元重排和串接，分別構建出蕓薹的三個亞基因組一致序列和甘藍的三個亞基因組一致序列。重新進行PiHS分析后，發(fā)現蕓薹的不同亞基因組之間存在4個平行選擇信號的區(qū)域，甘藍存在4個；同時蕓薹和甘藍的相同亞基因組之間存在著15個受到趨同選擇的區(qū)域。

隨后針對塊莖膨大性狀進行的研究亦獲得了類似的結果。由此證明，蕓薹族祖先的全基因組三倍化事件可能對蕓薹屬性狀平行或趨同進化的造成深遠的影響，這一發(fā)現在國際上尚屬首次。

圖3. ?蕓薹（左）和甘藍（右）亞基因組的選擇信號檢測

參考文獻

ChengF.?et?al.?(2016).?“Subgenome?parallel?selection?is?associated?with?morphotype?diversification?and?convergent?crop?domestication?in?Brassica?rapa?and?Brassica?oleracea.”?Nat?Genet?advance?online?publication.