Nature Commun | 华中农业大学张建伟团队合作发表水稻泛基因组倒位图谱

责编 | 王一

亚洲栽培稻（Oryza. Sativa）是全球一半人口的主食，为人类饮食贡献了约20%的卡路里。预计2060年至2070年世界人口将增加到约100亿，因此需要寻找新方法来培育产量高、营养丰富、绿色环保和气候适应性更强的新品种。而世界各地500,000多份水稻种质及其野生近缘种基因组中的自然变异（单核苷酸多态性、插入缺失、倒位和易位等）就是品种改良的重要来源。基因片段倒位（inversion）在动植物的遗传重组、基因组进化、物种形成和表型变异发挥着重要作用。在植物中，倒位对地区适应性、基因组-环境关联、基因调控、开花时间、种子萌发和果实形状有着重要影响。目前对水稻中倒位的研究仍比较分散，缺乏依据亚洲稻种群结构选择代表性种质、利用其超高质量参考基因组进行的综合性分析。

近期，华中农业大学张建伟教授团队联合阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）、国际水稻研究所（IRRI）和冷泉港实验室（CSHL）的研究人员在Nature Communications在线发表题为Pan-genome inversion index reveals evolutionary insights into the subpopulation structure of Asian rice的研究论文。该研究利用73个高质量亚洲栽培稻以及2个野生近缘种基因组，构建了包含1,769个非冗余倒位的泛基因组倒位图谱，估计了亚洲稻中倒位频率，提供了倒位变异影响基因表达、重组率和连锁不平衡的证据，揭示了亚洲水稻泛基因组中大倒位（≥ 100 bp）的普遍性，为水稻功能研究与基因组育种奠定基础。

该研究利用16个亚洲栽培稻亚群代表性种质（K=15）高质量基因组、57个筛选后的公开基因组以及2个新组装的野生近缘种高质量基因组构建亚洲栽培稻泛基因组倒位图谱（Inversion Index）。以日本晴（IRGSP RefSeq）为参考基因组，共鉴定出12,141个倒位事件（≥ 100 bp），并依据基因组坐标聚类为1,426个非冗余的倒位族。利用倒位图谱进行系统发育分析显示73个基因组中的66个可以细分为亚洲稻预期亚群结构（K=15），剩余7个属于两个尚未确认的籼稻亚群（图1）。该研究对倒位事件频率进行的评估发现其每百万年可发生多达700次大型基因组倒位，相比之前研究高出16-50倍。

在此基础上，该研究对基因组倒位变异的分布、群体水平的重组和连锁效应、转座对变异的贡献及基因的表达功能等方面做了相关研究和探讨。

泛基因组倒位图谱染色体分布

在染色体分布分析中，该研究发现除4号染色体外，倒位变异在染色体上呈均匀分布（图1），并在根据倒位长度（<1 Kb、1-5 Kb、5-10 Kb和>10 Kb）分类的检验中进一步验证该结论（4号染色体上>10 Kb的倒位，集中在4号染色体着丝粒附近）。

图1 基于水稻泛基因组倒位图谱的系统发育树与全基因组倒位分布

倒位图谱相关转座子特征

泛基因组倒位图谱（倒位及其断点）中存在与TE相关序列总量为63.4%，显著高于平均TE含量（53%）。此外，在1769个倒位族中，1277次在断点区域（距断点上下游100 bp）显示与TE有重合，表明TE在亚洲水稻的倒位及其断点内富集。另外转座子家族LTR-RT（Ty3-Gypsy和Ty1-Copia）和MULE都显著富集于倒位断点区域（图2a）。该研究鉴定出17个在所有亚洲稻基因组中保守并且出现在>10个倒位断点处的TE家族（图2b）。

图2 水稻泛基因组倒位图谱的转座子分析

倒位图谱相关基因特征

基于泛基因组倒位图谱，每个基因组平均约971个基因在倒位内部或断点上。利用明恢63、珍汕97与日本晴的多组织转录组数据，该研究鉴定到多个位于倒位内部或倒位侧翼区域的差异表达基因。该研究发现每个基因组平均有55个基因（其中平均28个具有转录证据）位于倒位断点，其中平均20个重复基因的转录本丰度无变化，如图3a和b所示；平均8个单拷贝基因被倒位事件破坏，如Fbox基因（Os11g0532600）的第一个外显子在明恢63中被INV1101460破坏导致转录本消失（图3c, d）。

图3 位于倒位断点处的基因转录本丰度

基因组倒位和重组率

为评估倒位对重组频率的影响，该研究在包含210个近交系的重组近交系RIL-10中进行重组率分析，发现明恢63和珍汕97间的78个倒位区域重组率显著低于全基因组重组率，表明基因组重组的显著抑制与倒位有关。

大倒位事件对种群SNP变异的影响

倒位可以通过多种方式影响群体水平的DNA多态性，包括倒位区域的多态性增加和连锁不平衡（LD）模式的变化。为了确定大倒位（> 100 Kb）是否在LD模式中留下痕迹，该研究使用3K-RGP数据集检查倒位区域附近的LD块，发现被破坏的LD块在几乎所有大倒位中都存在。一些被破坏的LD块包含高密度的SNP，并且在LD热图上呈现为独特的方格图案。尽管存在重组，但这种相对高密度的SNP以及低单倍型多样性可能是选择压力的结果。

图4 大倒位事件的群体连锁不平衡分析

亚洲水稻泛基因组倒位图谱是我们寻求准确发现存在于亚洲水稻乃至整个水稻属中所有自然变异（含SNP，大小片段的序列插入缺失和易位）的第一步。

阿卜杜拉国王科技大学博士后周勇、华中农业大学博士研究生于志超、国际水稻研究所研究员Dmytro Chebotarov和冷泉港实验室Kapeel Chougule为论文共同第一作者。阿卜杜拉国王科技大学Rod A. Wing教授、华中农业大学张建伟教授、国际水稻研究所Kenneth McNally研究员、冷泉港实验室Doreen Ware教授等为论文通讯作者。亚利桑那大学，蒙彼利埃大学，聖安娜高等研究院，Corteva Agriscience和Persephone参与该项研究。四川农业大学钦鹏教授对本研究提供了帮助和数据支持。该研究受到华中农业大学启动费、自主科技创新基金项目和湖北洪山实验室等资助。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-37004-y

作者介绍：

周勇，男，阿卜杜拉国王科技大学博士后（2019-至今，Dr. Rod A. Wing课题组）。博士毕业于四川农业大学小麦研究所（2013-2017，王际睿教授课题组），并在中国科学院上海生命科学院和上海师范大学进行博士后研究（2017-2019，巫永睿研究员和王文琴教授课题组）。主要从事水稻、玉米和小麦相关遗传和基因组学研究。以第一作者（含共同）在Nature Communications发表水稻泛基因组和倒位变异分析、在Molecular Plant发表水稻基因索引数据库、Proceedings of the National Academy of Sciences发表浮萍基因组测序、Plant Biotechnology Journal发表玉米转录组解析硬粉质机理和中国地方小麦品种资源群体进化研究、New Phytologist发表小麦休眠性调控机理、Scientific data上发表水稻群体水平的铂金基因组测序和Frontiers in plant science上发表水稻搞穗发芽关联分析等多篇研究论文。

Google学术链接：

https://scholar.google.com/citations?user=vBtrxQ0AAAAJ&hl=zh-CN

于志超，男，华中农业大学博士研究生（2021-至今，张建伟教授课题组，https://zhang.hzau.edu.cn），主要从事植物泛基因组和转录组研究。以第一作者（含共同）在Molecular Plant发表水稻基因索引数据库、Nature Communications发表水稻泛基因组倒位变异图谱，以共同作者在Proceedings of the National Academy of Sciences、Plant Biotechnology Journal等杂志上发表多篇研究论文。

Google学术链接：

https://scholar.google.com/citations?user=B8LkAwsAAAA