Nature Commun. | 曲阜师范大学包颖团队揭示陆地棉驯化过程中的调控进化

生物重要性状进化的分子基础是什么？这个问题一直是生物进化领域的研究者们孜孜以求的问题。实际上，从拉马克的“用进废退”到达尔文的“物竞天择，适者生存”，一直到孟德尔的“遗传分离”和 “基因自由组合”，几乎所有进化和遗传理论都是建立在对重要性状的识别并进而追溯和阐明其背后分子基础的过程之中。

栽培作物一直是研究植物进化历程的模式体系，和野生状态的自然类群相比，栽培作物在其选择的方向和结果上均享有先验权，因此可以更好的理解强烈选择之下的遗传基础【1-3】。最近，曲阜师范大学的包颖教授和美国Iowa State University的胡冠菁博士等合作者利用陆地棉这种多倍体作物为材料很好的展示了如何利用栽培植物为研究体系来揭示驯化过程中复杂的调控进化。相关研究结果以Unraveling cis and trans regulatory evolution during cotton domestication为题发表在Nature Communications上。

棉属 (Gossypium) 是世界上重要的农业属，其种皮上单细胞的表皮毛（棉花）是人工选择最为成功的产品之一。在大约8000年的驯化历史中，棉属共有4个物种，即分布在美洲的具有AADD基因组的异源四倍体——陆地棉 (G. hirsutum L.) 和海岛棉(G. barbadense L.)，以及分布在亚洲和非洲的具有AA基因组的二倍体——亚洲棉(G. arboreum L.)和欧洲棉 (G. herbaceum L.)被分别独立驯化【4】。在这4个栽培物种中，陆地棉 (G. hirsutum) 以其宽泛的适应性和较高的产量占据了全球棉花市场90%以上的份额。

与分布在Yucatan半岛北海岸的野生陆地棉地理族 (G. hirsutum race yucatanense)相比，栽培陆地棉的棉纤维在性状上发生了极大的改变【5】，从野生状态的短小(<1 cm)、稀疏和糙黄，发展到目前栽培状态的细长(>5 cm)、密集和柔白(图 1a)。尽管野生和栽培陆地棉在纤维形态上已经出现了如此明显的性状差异，但是利用QTL定位以及全基因组测序等手段【6-9】，目前对于那些影响棉纤维质量和产量性状的主效基因以及基于转录组测序【10-12】识别的大量表达分化之下的调控进化仍然知之甚少。

顺反调控 (cis/trans-regulation) 是重要的转录前调控方式，指通过串联在被调控基因附近的特定DNA序列 (顺式调控元件, cis-regulatory element) 和来自基因组其他区域 、由另外基因编码的反式作用因子 (trans-acting factor) 的相互协作来改变基因的表达水平并进而影响性状的调控。虽然顺反调控在促进农业表型多样性和作物品质提升中具有重要作用，但由于这些顺反调控方式通常非常隐蔽和复杂，加之缺少行之有效的研究方法，因此其在驯化中的作用和进化机制一直未能得到深入阐释。

此次，为了全面解析陆地棉由野生到栽培的进化过程中，调控体系cis-和trans-的变化情况和相对贡献，研究者将陆地棉栽培品种和野生地理族之间的杂交种纳入研究体系。由于杂交种可以将亲本间具有表达差异的等位基因置于共同的反式调控池，从而可以暂时屏蔽不同细胞环境中相异反式因子的干扰而优先考虑顺式突变的部分。这样，如果杂种内的等位基因仍然延续其杂合之前的表达分歧就表明该基因在亲本间的表达差异是源于各自顺式调控的结果；如果等位基因间的表达分歧消失，即出现等位基因在杂种内等量表达的情况，则表明杂合之前亲本间的表达差异是源于各自反式因子调控的结果；如果出现和上面两种情况均不同的新的表达差异，则表明最初的调控是源于顺式和反式综合的结果。因此，通过追溯野生棉和栽培棉的等位基因在亲本间和杂种内的表达变化，就可以反推棉纤维驯化中所经历的顺反调控改变 (图1a)。

按照如上策略，该研究将栽培 (样品Maxxa, 4个生物重复) 和野生 (样品Tx2094, 3个生物重复) 陆地棉以及它们的杂交种 (正反交各3个生物重复) (图1a) 的棉纤维发育两个关键阶段 (10 dap, 后花期10天; 和20 dpa, 后花期20天) 共27个样品的RNA 文库进行了RNA-seq深度测序，并根据栽培和野生陆地棉亲本之间的序列差异，开发出一个能够在杂交种内识别亲本等位基因的、包括91,017个单核苷酸多态性 (SNP) 的序列标签。这些序列标签被发现分布在27,816个基因上 (13,462分布在A亚基因组上，14,060分布在D亚基因组上，294分布在未确定染色体的scaffolds上)。 通过检测这27,816个基因的调控变化，研究者发现在陆地棉的棉纤维驯化中，顺式和反式的调控改变分别占总调控变化的36-48% 和 52-64%，显示在目前的驯化时间尺度上，陆地棉中两种调控模式在进化过程中的贡献几乎是同等重要的，而陆地棉中稍高的反式进化则有可能和其多倍体化后的基因组冗余有关。

图1. 亲本和杂交种的纤维性状及利用等位基因表达差异划分陆地棉驯化中顺反调控类型的策略

a 上部：栽培(Maxxa)和野生(TX2094)陆地棉和它们正反交F1代杂交种的纤维性状；下部：根据等位基因表达变化划分顺反调控类型的策略。A代表亲本间等位基因的表达差异(cis-trans-总调控)；B代表F1代杂种内来自不同亲本等位基因的表达差异(由于杂种内的等位基因处于相同的反式调控池，因此表达差异只能来自等位基因各自不同的cis-调控，因此B仅代表cis-调控的部分；A-B则代表trans-调控的部分)。区分cis-和trans-调控的类型：当cis-trans-总调控非零(A¹0)时，如果cis-trans-总调控和cis-调控相等(A=B)且cis-调控非零(B¹0)，则F1代杂种内来自不同亲本等位基因的表达分歧全部是I类cis-调控(cis-only)的结果；如果cis-trans-总调控和cis-调控不等(A¹B)，当cis-调控为零时(B=0)，则F1杂种内来自不同亲本等位基因的表达分化全部是II类trans-调控(trans-only)的结果，当cis-调控非零(B¹0)时则是cis-trans-共调控的结果，如果此时表达上调为III类(cis-trans, enhancing)，如果下调，则为IV类(cis-trans, compensating)的调控类型；而当cis-trans-总调控为零(A=0)时，当cis-调控非零(B¹0)且cis-trans-总调控和cis-调控不等(A¹B)时即为第V类的互补调控 (Compensatory) 类型，如果cis-调控为零 (B=0)且cis-trans-总调控和cis-调控相等(A=B)则为第VI类保守 (Conserved) 类型；不能按如上原则进行划分的例外则全部归入第VII类(Ambiguous)，各调控类型在陆地棉驯化中贡献的比例列在括号内。b. 以F1正向杂交种(M´T)的10 dpa纤维的数据为例展示亲本的等位基因表达变化(x-轴)和杂种内等位基因表达变化(y-axis)的相关性。

在该项研究中，研究者最后确定了在分化和驯化中经历了顺反调控改变的1655个基因的详细目录，并且发现这些基因恰好富集在那些与野生和栽培陆地棉的棉纤维性状变异 (如棉纤维的长度、质量和颜色等) 相关的特定QTL区【8】，表明调控进化可能在棉纤维表型的进化中扮演重要角色。为了探索调控变化在纤维驯化中的潜在功能，研究者还利用Genie3【13】对栽培和野生陆地棉分别构建了可以预测转录因子(TFs)和它们调控目标(TGs)之间关联的基因调控网络(GRNs)。此GRN中涉及的1518 个TFs中，53个被检测出发生了调控改变，这其中包括12个单纯的顺式改变，15个单纯的反式改变以及26个二者的综合变化，并且尤为重要的是，驯化使得野生陆地棉内零散的网络成为更为密切联系的整体 (图2a)。

图2.  栽培和野生陆地棉的棉纤维中具有调控变化的目标基因与转录因子的调控网络预测

a. 具有SNP和调控分化(RD)的基因、纤维相关的QTL以及细胞壁相关的基因等所有目标基因(TG)和注释的转录因子(TF)的顺反调控方式总览； b. 野生陆地棉(TX2094)的调控网络；c. 栽培陆地棉(Maxxa)的调控网络。箭头方向代表从TF到TG的调控互作。节点的形状、大小和颜色分别代表调控分化的类型、涉及TG基因的数目以及和WGCNA推测的基因共表达模型一致的体系。三个带*号的TFs (节点3, 32, 5)以及&号 (节点48)分别代表纤维相关的QTL和细胞壁合成相关的基因。

全面的综合分析表明：陆地棉的调控变异与序列进化、亲本表达模式遗传、共表达基因网络特性以及负责驯化性状的基因组位点分布等均具有显著的相关性。此外，从多倍体的角度，研究者也发现，驯化对陆地棉两个不同亚基因组的顺反调控体系的革新在很大程度上是不关联的。该研究结果对深入了解栽培作物的表型塑成、解析棉花品质改良的机制以及多倍体植物的基因组进化等均具有重要意义。

参考文献：

1. Larson G, et al. Current perspectives and the future of domestication studies. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 111, 6139-6146 (2014).

2. Meyer RS, Purugganan MD. Evolution of crop species: genetics of domestication and diversification. Nat. Rev. Genet. 14, 840-852 (2013).

3. Olsen KM, Wendel JF. A bountiful harvest: Genomic insights into crop domestication phenotypes. Annu. Rev. Plant Biol. 64, 47-70 (2013).

4. Wendel JF, Grover CE. Taxonomy and evolution of the cotton genus. In: Cotton, Agronomy Monograph (ed^(eds Fang D, Percy R). ASA-CSSA-SSSA ( 2015).

5. Haigler CH, Betancur L, Stiff MR, Tuttle JR. Cotton fiber: a powerful single-cell model for cell wall and cellulose research. Front. Plant Sci. 3, 104 (2012).

6. Fang L, et al. Genomic insights into divergence and dual domestication of cultivated allotetraploid cottons. Genome Biol. 18, 33 (2017).

7. Fang L, et al. Genomic analyses in cotton identify signatures of selection and loci associated with fiber quality and yield traits. Nat. Genet. 49, 1089-1098 (2017).

8. Grover CE, et al. Genetic analysis of the transition from wild to domesticated cotton (G. hirsutum). BioRxiv, 616763 (2019).

9. Hu G, Koh J, Yoo MJ, Pathak D, Chen S, Wendel JF. Proteomics profiling of fiber development and domestication in upland cotton (Gossypium hirsutum L.). Planta 240, 1237-1251 (2014).

10. Wang M, et al. Asymmetric subgenome selection and cis-regulatory divergence during cotton domestication. Nat. Genet. 49, 579 (2017).

11. Yoo MJ, Wendel JF. Comparative evolutionary and developmental dynamics of the cotton (Gossypium hirsutum) fiber transcriptome. PLoS Genet. 10, e1004073 (2014).

12. Hu G, et al. Evolutionary conservation and divergence of gene coexpression networks in Gossypium (cotton) seeds. Genome Biol. Evol. 8, 3765-3783 (2016).

13. Huynh-Thu VA, Irrthum A, Wehenkel L, Geurts P. Inferring regulatory networks from expression data using tree-based methods. PLoS One 5,  (2010).

文章链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-019-13386-w