從又黑又小的野生大豆到又黃又大的栽培大豆，3月15日《自然—植物》在線發(fā)表的論文證實(shí)，在這個(gè)過程中丟失了約70%的基因位點(diǎn)?，F(xiàn)在，科學(xué)家讓這些豐富的遺傳資源“回家”了。2022年3月14日，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)的作物生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在Nature Plants 發(fā)表了題為“Phylogenomics of the genus Glycine sheds light on polyploid evolution and life-strategy transition”的研究論文，該研究挑選了具有代表性的多年生大豆屬物種組裝構(gòu)建染色體水平上的基因組（包括五個(gè)二倍體和一個(gè)年輕的異源多倍體），并與26個(gè)一年生大豆基因組整合構(gòu)建了大豆屬超泛基因組框架。比較基因組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)這些多年生二倍體表現(xiàn)出更高的基因組穩(wěn)定性，并且比一年生植物具有更少的著絲粒重復(fù)。鑒定出109827個(gè)多年生大豆中的非冗余基因位點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)其中約70%的基因位點(diǎn)在一年生大豆亞屬中丟失，為大豆育種提供了豐富的遺傳多樣性基礎(chǔ)。同時(shí)，論文發(fā)現(xiàn)在異源多倍體中由于存在局部亞基因組分化而發(fā)生了有偏向的亞基因組分離，并鑒定到兩個(gè)被注釋為調(diào)控營養(yǎng)生殖階段轉(zhuǎn)變和側(cè)枝生長的基因可作為多年生和一年生轉(zhuǎn)變的候選基因，這提供了對(duì)多倍體基因組進(jìn)化的見解，并為從多年生基因庫中釋放遺傳潛力以進(jìn)行大豆改良奠定了基礎(chǔ)。
背 景
人們?nèi)粘Ｊ秤玫拇蠖挂荒暌环N一收，然而它的野生種卻可以多年生長。該團(tuán)隊(duì)首次獲得了多年生野生大豆（即大豆Glycine亞屬）的高精度基因組圖譜，填補(bǔ)了大豆屬泛基因組的空白，解析了大豆進(jìn)化歷程，高效、準(zhǔn)確挖掘了大豆基因組的結(jié)構(gòu)變異，拓寬了大豆分子育種可利用的基因資源，為大豆遺傳基礎(chǔ)解析、馴化性狀調(diào)控基因挖掘及種質(zhì)創(chuàng)新提供了重要理論支撐。
補(bǔ)全大豆屬泛基因組圖譜
從野生大豆到栽培大豆，馴化過程中到底發(fā)生了什么變化，此前科學(xué)家并不清楚。
莊永斌介紹，他們選取了5個(gè)具有代表性的二倍體和1個(gè)異源四倍體野生大豆進(jìn)行全基因組測序。前者分別為Glycine亞屬中A、B、C、D、F基因組型的代表，后者基因組型為AADD。研究人員綜合利用二代、三代、Hi-C等測序技術(shù)，組裝得到了染色體級(jí)別的高質(zhì)量參考基因組，首次構(gòu)建了Glycine亞屬大豆泛基因組。
“由于之前已經(jīng)有科學(xué)家完成了Soja亞屬的大豆泛基因組，加上我們這次完成的Glycine亞屬大豆泛基因組，可以說整個(gè)大豆屬的泛基因組圖譜已經(jīng)全部完成了?！睆埓蠼≌f。
豆科植物由兩個(gè)亞屬組成，它們在大約 1000 萬年前分化，其中一年生大豆在6,000 至 9,000 年前在東亞被馴化，約 30 種多年生大豆全部存在澳大利亞的不同區(qū)域（圖1a）。大豆作為世界上種植最廣泛的油料和蛋白質(zhì)種子作物，由于其經(jīng)濟(jì)重要性，對(duì)一年生大豆栽培和野生種質(zhì)的測序目前已取得巨大進(jìn)展。遺傳多樣性已成為限制作物產(chǎn)量潛力和環(huán)境復(fù)原力的關(guān)鍵因素，多年生大豆物種代表了一個(gè)擴(kuò)展的基因庫，用于改進(jìn)一年生作物的性狀，例如每個(gè)豆莢的大量種子、對(duì)孢囊線蟲和真菌病原體的抗性以及對(duì)干旱和鹽脅迫的耐受性。已有研究報(bào)道，功能二倍體 (2n=38, 40) 大豆物種經(jīng)歷了兩次全基因組復(fù)制 (WGD) 事件，它們與所有豆類（蝶形）豆科植物共享一個(gè)古多倍體事件，發(fā)生時(shí)間約為 65百萬年前，但也經(jīng)歷了第二次單獨(dú)的 WGD，發(fā)生在最近的約10 百萬年內(nèi)。有趣的是，在過去的 350,000 年中，多年生亞屬中爆發(fā)了獨(dú)立的異源多倍體事件，至少有八種不同的異源多倍體（2n = 78, 80）由八種不同二倍體基因組組合形成。因此，大豆屬為了解多倍體基因組進(jìn)化以及多年生和一年生之間的生命周期轉(zhuǎn)變提供了一個(gè)極好的模型。
摘要
多倍性和一年生與多年生之間的生活策略轉(zhuǎn)變在有花植物中比較常見。但對(duì)于多倍性的演化傾向以及一年生和多年生之間相互轉(zhuǎn)變的遺傳基礎(chǔ)尚不清楚。本文組裝了5個(gè)二倍體和1個(gè)新形成的異源多倍體，并整合26份一年生大豆基因組構(gòu)建了一個(gè)大豆屬超泛基因組框架。通過比較基因組分析發(fā)現(xiàn)多年生二倍體表現(xiàn)出更高的基因組穩(wěn)定性。研究還發(fā)現(xiàn)異源多倍體中由于存在局部亞基因組分化而發(fā)生了有偏向的亞基因組分離，并鑒定到兩個(gè)被注釋為調(diào)控營養(yǎng)生殖階段轉(zhuǎn)變和側(cè)枝生長的基因可作為多年生和一年生轉(zhuǎn)變的候選基因，這提供了對(duì)多倍體基因組進(jìn)化的見解，并為從多年生基因庫中釋放遺傳潛力以進(jìn)行大豆改良奠定了基礎(chǔ)。
研究思路
解決的生物學(xué)問題
- 組裝了大豆屬的代表性多年生物種的染色體水平基因組，并構(gòu)建了大豆泛基因組，為大豆的遺傳改良和進(jìn)化研究提供了更加全面的基因組信息。
- 闡明了多倍體基因組進(jìn)化的傾向和后果，生活史策略轉(zhuǎn)變的可能遺傳決定因素，以及亞基因組分裂的原因和機(jī)制，為創(chuàng)制大豆高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)新品種提供了有效的基因靶點(diǎn)。
結(jié) 果 RESULTS
1 染色體水平的基因組組裝和系統(tǒng)發(fā)育分析
研究人員對(duì)大豆屬中5個(gè)具有代表性的多年生二倍體物種falcata (FF)、stenophita (BB)、cyrtoloba (CC)、syndetika (AA)和G. tomentella D3 (DD)和多年生異源多倍體G. dolichocarpa (AADD)進(jìn)行了高質(zhì)量的基因組組裝。根據(jù)k-mer估計(jì)的最佳情景，96.2-98.8%的基因組序列成功錨定到20條(二倍體)或40條(異源多倍體)染色體上，contigs N50在2.2-6.8 Mb之間，染色體N50在49-71 Mb之間。二倍體基因組的大小從941到1374 Mb不等，經(jīng)注釋得到55,376 -58,312個(gè)蛋白編碼基因；組裝得到的異源多倍體基因組為1948 Mb，注釋得到113,697個(gè)蛋白編碼基因。
研究人員以菜豆(Phaseolus vulgaris)和苜蓿(Medicago truncatula)為外類群，用830個(gè)單拷貝同源基因構(gòu)建了多年生大豆與一年生大豆的系統(tǒng)發(fā)育樹(圖1a)。為了了解一年生和多年生二倍體大豆基因組之間的相對(duì)穩(wěn)定性，研究人員通過與P. vulgaris比較來明確定義包括倒置在內(nèi)的大片段重排，多年生大豆二倍體表現(xiàn)出較高的染色體水平保守性(圖1b)。通過與大豆參考基因組Williams 82 (av2)的兩兩比較，確定了183個(gè)基因組重排，隨機(jī)選擇的10個(gè)倒置事件通過基于PCR擴(kuò)增含有倒置接合位點(diǎn)的片段得到了驗(yàn)證，這些重排包括多年生特有的和一年生物種特有的(圖1c)。總的來說，多年生植物的基因組重排比一年生植物的要少(圖1b、d)。
分析顯示，與一年生大豆相比，多年生大豆有幾個(gè)不同的基因組特征，包括基因組重排率較低，單獨(dú)LTR-RTs與完整LTR-RTs的比率較低，以及非核心基因出現(xiàn)的速度較慢?；蚪M重排通常由重復(fù)介導(dǎo)的重組事件形成，而單獨(dú)的LTR是intra-element不平等重組的產(chǎn)物;因此，重組率和LTR單獨(dú)形成率的差異可能反映了不同的不平等重組率。由于不平等重組往往與等位基因重組呈正相關(guān)，這種差異很可能與多年生植物和一年生植物的不同世代有關(guān)。多年生植物非核心基因形成速度較慢，也可能與代數(shù)減少有關(guān)，這將減少重組誘導(dǎo)的突變，導(dǎo)致基因序列的假基因化和逐漸降解。有趣的是，由K s反映的替代率在多年生和一年生植物之間沒有顯著差異。一種可能的解釋是重組對(duì)自然選擇有效性的潛在影響。另一種可能的解釋是，相對(duì)于從普通櫟(P. vulgaris)分化而來的長得多的分支，一年生和多年生譜系的獨(dú)立進(jìn)化時(shí)間相對(duì)較短，這被用作計(jì)算進(jìn)化速率的參考。
2 轉(zhuǎn)座子，著絲粒重復(fù)和基因間快速分化
在各類轉(zhuǎn)座子（TEs）中，長末端重復(fù)-逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子(long terminal repeat-retrotransposon, LTR-RTs)最為豐富，LTR-RT家系在物種間表現(xiàn)出不同的擴(kuò)增程度，這反映在它們的相對(duì)豐度和插入時(shí)間上(圖2a、b)。在一年生基因組中很少看到Gypsy-LTR-RTs和Copia-LTR-RTs家族的LTR-RTs，LTR-RT擴(kuò)增在很大程度上與局部基因組分化有關(guān)。除了LTR-RTs外，Mutator和Helitrons是促成多年生基因組大小變異和基因間區(qū)域分化的兩個(gè)主要TE超家族(圖2a)。大多數(shù)植物的著絲粒是由著絲粒衛(wèi)星重復(fù)序列(CSRs)組成的，這些重復(fù)序列常被富含著絲粒的逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子(CRs)中斷。在多年生基因組中很少檢測到這些CSR的拷貝 (圖2c)，在平均的序列分化的基礎(chǔ)上，Gm-Cent1和Gm-Cent2在F基因組上的同源基因(稱為Gf - Cent1)與Gm-Cent2的相似度略高于Gm-Cent1 (圖2d)。根據(jù)Gm-Cent1/Gm-Cent2物理鄰接的相對(duì)頻率和Illumina序列檢測到的特異逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子序列，研究人員鑒定出Gmr17(富集于Gm-Cent1序列)和Gmr01(富含Gm-Cent2序列) (圖2 e-g),作為一年生大豆基因組的CR家庭,而在多年生大豆基因組中沒有發(fā)現(xiàn)類似的逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子家族(圖2e、f、h)
植物著絲粒通常攜帶著CSR，作為維持著絲粒功能的完整。有些CSR在近親之間差異很大，如Oryza 的近緣種間;有些CSR即使在分化了數(shù)百萬年的物種之間也高度保守，如玉米和水稻?？紤]到一年生和多年生譜系間的分化時(shí)間如此之短，多年生譜系中缺乏典型的CSR序列是一個(gè)令人驚訝的發(fā)現(xiàn)。然而，在一年生短柄草屬植物中發(fā)現(xiàn)的著絲粒衛(wèi)星在一些多年生短柄草屬植物中沒有發(fā)現(xiàn)。雖然已經(jīng)對(duì)許多植物物種進(jìn)行了測序，但對(duì)著絲粒序列的研究僅局限于少數(shù)物種，主要是一些主要的一年生作物。因此，要確定這些CSR是在這些多年生植物中丟失還是在一年生植物中產(chǎn)生，以及它們是否與生活史戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變有關(guān)，仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。
3 超泛基因組框架構(gòu)建
為了進(jìn)一步構(gòu)建具有代表性的大豆物種的泛基因組，以及在局部和微觀尺度上理解基因組進(jìn)化，研究人員利用已測序的二倍體大豆基因組構(gòu)建了一個(gè)超泛基因組框架。通過注釋一年生和多年生二倍體的非冗余基因，將5個(gè)多年生大豆共享的同源基因稱為多年生核心基因，其余為多年生非核心基因，而被所有一年生大豆共享為同源基因稱為一年生核心基因,其余的稱為一年生非核心基因 (圖3a)。正如預(yù)期的那樣，在一年生物種中觀察到的核心基因比例高于多年生物種(圖3b)?？傮w而言，多年生大豆和一年生大豆共有的 17,922 個(gè)核心基因表現(xiàn)出比 6,745個(gè)非核心基因更低的同義替換率(Ks)和非同義替換率(Ka)，更強(qiáng)的純化選擇 (ω，即Ka/Ks)，但核心基因和非核心基因均未顯示兩個(gè)譜系之間的 Ks，Ka 和ω差異（圖3c-e）。在這些共享基因中，從~10 Ma WGD 中保留的重復(fù)基因在兩個(gè)譜系中顯示出較低的 Ka和更強(qiáng)的純化選擇強(qiáng)度(圖3 h-f)。這些結(jié)果表明，在一年生和多年生譜系分化后的二倍化過程中，兩種生長周期可能對(duì)基因進(jìn)化產(chǎn)生不同的影響
4 適應(yīng)性基因進(jìn)化是生長周期轉(zhuǎn)變的基礎(chǔ)
為了找到大豆屬多年生和一年生轉(zhuǎn)變的候選基因，研究人員對(duì)這些多年生二倍體共享的所有直系同源基因及其用于構(gòu)建野生大豆泛基因組的7個(gè)野生一年生大豆種質(zhì)共享的直系同源基因進(jìn)行了全基因組篩選，以確定它們在這兩個(gè)亞屬的分化過程中是否經(jīng)歷了適應(yīng)性進(jìn)化。在基因GO分析的基礎(chǔ)上，有6個(gè)基因與細(xì)胞分化和花發(fā)育過程相關(guān)，其中兩個(gè)基因在一年生和多年生亞屬中都顯示出極高水平的純化選擇（圖4a、b）。這兩個(gè)基因中的一個(gè)與擬南芥PARAFIBROMIN（PHP）基因直系同源（圖4c）；另一個(gè)基因是擬南芥DWARF14 (D14)的同源基因，該基因編碼獨(dú)腳金內(nèi)酯受體。除了在一年生亞屬和多年生亞屬之間觀察到D14同源基因的點(diǎn)突變外，同源基因在亞屬之間也表現(xiàn)出不同的基因結(jié)構(gòu)(圖4d)。考慮到一年生和多年生大豆都分布在高度多樣化的環(huán)境中，以及PHP和D14同源物種在一年生類群和多年生類群之間的適應(yīng)性進(jìn)化，這兩組同源基因的純化選擇強(qiáng)度(圖4e)和突變揭示的這些基因在擬南芥中的功能(圖4f、g)可以一定程度解釋生長周期轉(zhuǎn)變背后的遺傳基礎(chǔ)。
5 近期異源多倍體的亞基因組分離偏向
冗余基因的丟失(分離)是多倍體化后的常見現(xiàn)象，大多數(shù)基因丟失發(fā)生在一個(gè)亞基因組中，祖基因組中TEs的密度是產(chǎn)生亞基因組之間表觀遺傳調(diào)控差異的關(guān)鍵，導(dǎo)致許多較弱表達(dá)的同源基因的丟失。
為了研究大豆亞基因組分離偏向，研究人員首先評(píng)估了A、D、At和Dt亞基因組之間的共線性，A和At， D和Dt都是高度保守的，并確定了A和At之間的10個(gè)倒置以及D和Dt之間的6個(gè)倒置(圖5a)，涉及45個(gè)基因的23個(gè)亞基因組間倒置被鑒定為異源多倍體化后事件(圖5b)。A、D、At和Dt基因組之間的比較顯示，其中Dt丟失的基因(4109個(gè))多于At(3242個(gè))(圖5c)，在A 和 D兩個(gè)亞基因組中，singletons基因在基因組中損失較高 (圖5 d)，而在At和Dt兩個(gè)亞基因組中，Dt中丟失的singletons基因數(shù)比在At中多，在At或Dt亞基因組中同時(shí)丟失的同源基因只占很少一部分(圖5e)。而A 和 D 基因組中在At 或 Dt 亞基因組中失去同源基因的基因相對(duì)于兩個(gè)同源基因都保留的基因具有更高的 Ka/Ks (圖5f), 經(jīng)歷同源基因組丟失的基因比兩個(gè)同源基因都保留的基表達(dá)更弱 (圖5g)。同時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)At或Dt中的基因缺失往往發(fā)生在每個(gè)基因少于5個(gè)的cluster中(圖5h)，而在A或D中保留的cluster中那些缺失基因的對(duì)應(yīng)基因通常表現(xiàn)出一種共表達(dá)模式(圖5i) ，相比之下，在At或Dt中單個(gè)缺失基因的A或D同源基因與其鄰近基因之間沒有見過這種共表達(dá)模式(圖5j)。為了研究基因組分離的偏向重組，研究人員發(fā)現(xiàn)7351個(gè)基因缺失中只有13.1%的基因序列完全缺失，而45.3%和6.3%的缺失分別是由小Indels和SNPs引起的假基因缺失，另有4.4%的基因被TE插入打斷(圖5k)。為了闡明小缺失導(dǎo)致假基因化的機(jī)制，研究人員在異源多倍體的2315個(gè)基因中檢測了2850個(gè)邊界清晰的小缺失，31.2%的基因缺失帶有2-18 bp的短重復(fù)，這是偏向重組的標(biāo)志(圖5l)，表明偏向重組序列的逐漸缺失是亞基因組分離的關(guān)鍵機(jī)制。
亞基因組表達(dá)偏差在各種異源多倍體中都有報(bào)道，但只有多倍體及其二倍體祖先的基因組被破譯，才有可能理解導(dǎo)致表達(dá)偏差的親代遺傳。多年生大豆異源多倍體，G. dolichocarpa，被用作研究多倍體進(jìn)化的各個(gè)方面的模型。它的A和D二倍體祖先的完整基因組的可用性允許精確定義這兩個(gè)亞基因組和TEs的全基因組分布，允許詳細(xì)描述亞基因組進(jìn)化模式。盡管同源交換越來越被認(rèn)為是異源多倍體基因組進(jìn)化的一種機(jī)制，但我們對(duì)非法重組知之甚少，將其描述為G. dolichocarpa進(jìn)化的主要力量。本文報(bào)道的基因組序列提高了大豆作為探索文德爾所宣稱的“奇妙的多倍體周期”的模型系統(tǒng)的價(jià)值。多年生大豆包括其他幾種異源多倍體物種之間的共性可能是多倍體涌現(xiàn)特性的證據(jù)。這些物種的基因組中，大部分以G. tomentella或G. syndetika作為祖先，為多倍體進(jìn)化的模式和過程提供了額外的線索。
總 結(jié) CONCLUSION
綜上所述，研究人員對(duì)6個(gè)具有代表性的大豆多年生植物進(jìn)行了高質(zhì)量的染色體水平基因組組裝，并構(gòu)建了大豆屬的超泛基因組框架。在多年生植物中總共注釋了 109,827 個(gè)非冗余蛋白質(zhì)編碼基因，其中約 70% 在一年生大豆泛基因組中不存在。這代表了通過遠(yuǎn)緣雜交、定向修飾或替換大豆基因或通過將多年生大豆從頭馴化成新作物直接使用來改良一年生作物的巨大遺傳潛力。除了基因組數(shù)據(jù)，本研究還闡明了多倍體基因組進(jìn)化的傾向和后果、生長周期轉(zhuǎn)變的可能遺傳決定因素以及亞基因組分離的原因和機(jī)制。與一年生大豆相比，多年生植物具有不同的基因組特征，包括較低的基因組重排率、較低的singletons LTR 與完整 LTR-RT 的比例以及較慢的非核心基因出現(xiàn)速度。多年生植物中非核心基因的形成速度較慢也可能與減少的世代時(shí)間有關(guān)，這將減少可能導(dǎo)致假基因化和基因序列逐漸降解的重組誘導(dǎo)的突變。盡管已經(jīng)對(duì)許多植物物種進(jìn)行了測序，但著絲粒序列僅在少數(shù)一些主要的一年生作物物種中得到表征，因此要確定這些CRS是在這些多年生植物中丟失還是在一年生植物中產(chǎn)生，以及它們是否與生長周期轉(zhuǎn)變有關(guān)仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。雖然同源交換被視為異源多倍體基因組進(jìn)化的一種機(jī)制，研究人員將亞基因組偏向重組描述為 G. dolichocarpa 進(jìn)化的主要方式?？傊疚膱?bào)道的基因組序列提高了大豆作為模型系統(tǒng)的價(jià)值，為多倍體進(jìn)化的模式和過程提供了額外的證據(jù)。
大豆遺傳改良還在路上
“我們在大量基因位點(diǎn)中篩選出兩個(gè)基因——PHP和D14，它們可能在調(diào)控大豆一年生或多年生習(xí)性中起重要作用。”張大健說，PHP通過影響開花基因的表達(dá)來調(diào)控，而D14通過影響?yīng)毮_金內(nèi)酯來影響植株的表型?！斑@兩個(gè)基因突變后，有可能將一年生大豆變成多年生大豆?！?/p>
評(píng)審人認(rèn)為，該論文是對(duì)可利用植物的基因組學(xué)的重要貢獻(xiàn)，為多年生和一年生植物的不同遺傳學(xué)機(jī)制提供了更多深入的信息。
評(píng)審人說，在這篇論文中，作者鑒定了多年生和一年生大豆中復(fù)雜的基因組變異和進(jìn)化特征，并利用大豆已知基因組信息結(jié)合新的組裝方法構(gòu)建了一個(gè)超級(jí)泛基因組，為大豆的遺傳改良和進(jìn)化研究提供了更加全面的基因組信息。不僅如此，作者還提出了多年生向一年生大豆轉(zhuǎn)變的機(jī)理和異源多倍體中亞基因組分離的偏向性，全面解析了大豆屬的進(jìn)化歷程。
文獻(xiàn)來源：
Zhuang, Y., Wang, X., Li, X. et al. Phylogenomics ofthe genus Glycine sheds light on polyploid evolution and life-strategytransition. Nat. Plants (2022).
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41477-022-01102-4
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