Пангеномное исследование водяного ореха: Структурные вариации играют роль в видообразовании и асимметричной эволюции субгеномов
Рис, кукуруза и пшеница обеспечивают более половины калорий, потребляемых человеком. Снижение разнообразия сельскохозяйственных культур представляет серьёзный риск для глобальной продовольственной безопасности. Поэтому использование малораспространённых (orphan) культур стало эффективным подходом для решения кризисов продовольственной безопасности.
Водяной орех (Trapa spp.) — типичная малораспространённая культура, которую сознательно собирали и одомашнивали ещё в неолите. Во времена династий Тан и Сун, после дальнейшего искусственного отбора, было культивировано более 20 сортов.
В октябре 2023 года в журнале Horticulture Research была опубликована статья «Пангеном водяного ореха раскрывает структурные вариации и асимметричное расхождение субгеномов после аллополиплоидизации» исследовательской группы доктора Инсюна Цю.
Род Trapa традиционно делится на два вида:
- T. natans L. с диплоидным (2n = 2x = 48, AA) и тетраплоидным (2n = 4x = 96, AABB) цитотипами.
- Диплоидный T. incisa Sieb. and Zucc. (2n = 2x = 48, BB).
Культурный водяной орех произошёл от диплоидного T. natans с более крупным размером плода.
В этом исследовании авторы создали две сборки генома диплоидного T. natans и T. incisa на уровне хромосом. Вместе с четырьмя ранее опубликованными (суб)геномами Trapa был построен пангеном на основе генов.
Результаты показали:
- Кластеры основных (core), диспенсабельных (dispensable) и уникальных (private) генов составили 48.05%, 28.92% и 23.03% от всех кластеров генов соответственно.
- На основе 211 598 нередудантных вариаций присутствия-отсутствия (PAVs) среди шести (суб)геномов был построен графовый пангеном.
- Между A- и B-линиями было обнаружено 40 453 полностью дифференцированных PAV, затрагивающих 2 570 генов.
- GO-анализ показал, что эти гены в основном обогащены процессами развития органов, метаболизма органических веществ и ответа на стимулы.
- Транскриптомный анализ выявил, что большинство этих генов дифференциально экспрессируются между T. incisa и диплоидным T. natans, что указывает на их вероятную ключевую роль в фенотипической дифференцировке и репродуктивной изоляции между двумя диплоидными видами.
Сравнительный геномный анализ и анализ пан-транспозонных элементов (TEs) показал, что аллотетраплоидный T. natans претерпел асимметричное расхождение субгеномов, причём B-субгеном стал более доминирующим, чем A-субгеном.
Вывод: Множество факторов, включая PAVs, асимметричную амплификацию TEs, гомеологичный обмен (HEs) и дивергенцию экспрессии гомеологов, совместно повлияли на эволюцию генома после полиплоидизации. Пангеном Trapa предоставляет платформу для углублённого изучения геномных вариаций видов Trapa, способствуя лучшему пониманию эволюционной и функциональной геномики этой в настоящее время недостаточно используемой культуры.