Cenchrus purpureus 和 Cenchrus americanus 的重复序列组提供了可用于区分亚基因组的染色体标记

《Genetics in Medicine Open》：Cenchrus purpureus and Cenchrus americanus repeatome provide chromosomal markers to distinguish subgenomes

基因组重复组成比较及进化意义：本研究通过基因组测序和荧光原位杂交，系统比较了两种重要禾本科植物Cenchrus purpureus（四倍体）与Cenchrus americanus（二倍体）的重复基因组特征，发现两者均以Ty3-gypsy LTR逆转录子为主，但C. americanus重复比例（76.82%）显著高于C. purpureus（52.23%）。通过卫星DNA家族分类和FISH验证，揭示了A/A'与B亚基因组特异性序列的分布规律，为解析禾本科植物全基因组倍增事件及亚基因组分化提供了分子证据。

　　在植物基因组研究中，重复序列的识别和分析是理解基因组结构、进化历史以及功能特征的重要手段。重复序列不仅影响基因组的大小，还在染色体结构、基因表达调控以及物种适应性等方面发挥关键作用。本研究聚焦于两个具有重要农业价值的禾本科植物——Cenchrus purpureus（Cp）和Cenchrus americanus（Ca），通过基因组测序、重复序列分析以及荧光原位杂交（FISH）技术，系统地探讨了它们的重复基因组成分及其进化关系。研究结果揭示了这两个物种在重复序列组成上的显著差异，同时也提供了关于它们亚基因组起源和进化的新的见解。

Cenchrus 属是禾本科中的一个重要属，包含约107种植物，广泛分布于热带和亚热带地区。该属中的某些物种，如C. purpureus和C. americanus，在农业和生态学中具有重要地位。C. purpureus，也称为Napier草或Elephant草，是非洲原产的植物，因其高干物质产量而在亚洲、非洲和美洲的热带及亚热带地区被广泛用作饲料作物和能源作物。而C. americanus，即珍珠粟，是一种主要提供谷物的植物，广泛种植于干旱和半干旱地区的亚洲和非洲。这两个物种虽然在亚基因组组成上存在差异，但它们的基因组表现出高度的同源性，这可能与其亲缘关系密切相关。

C. americanus 是一个二倍体物种（2n = 2x = 14，AA基因组），而C. purpureus 是一个异源四倍体（2n = 4x = 28，A′A′BB基因组）。A′亚基因组被认为与A亚基因组同源，可能是其衍生版本，而B亚基因组的起源尚不明确。尽管它们的亚基因组构成不同，但两者在基因组结构上显示出高度的相似性，这反映了它们在进化上的紧密联系。此外，C. americanus 被认为是一个假想的古多倍体（paleopolyploid），经过多次多倍化和二倍化过程后，表现出二倍体的特性。而C. purpureus 则经历了至少三次多倍化事件，其中最近一次发生在约1500万年前，与异源多倍化的起源相吻合。

本研究采用了基因组测序结合重复序列分析的方法，对C. purpureus和C. americanus的重复基因组成分进行了系统描述和比较。通过对基因组测序数据的分析，研究人员发现C. purpureus的重复基因组成分占其基因组的52.23%，而C. americanus则占76.82%。这一差异可能与它们的多倍化历史以及基因组进化过程中的不同机制有关。在这些重复序列中，长末端重复逆转录转座子（LTR retrotransposons）是最丰富的类型，占据了两个物种基因组的大部分。此外，卫星DNA序列在两个物种中也占有一部分比例，其中C. americanus的卫星DNA序列占比为4.17%，而C. purpureus为2.55%。研究人员还识别出了四种新的卫星序列，分别对应A、A′和B亚基因组，以及新的着丝粒变体。

在对重复序列进行分类和分析时，研究人员采用了基于相似性的聚类分析方法，利用RepeatExplorer2工具对两个物种的基因组数据进行了处理和分析。通过比较不同亚基因组之间的重复序列，研究人员发现某些序列在两个物种中都有出现，而另一些则只在其中一个物种中存在。这种分布模式表明，重复序列可能在不同亚基因组之间经历了不同的进化路径。此外，通过FISH技术对这些卫星序列进行了物理定位，结果表明，某些卫星序列在着丝粒区域和染色体末端有特异性分布，这为理解这些序列在染色体结构和功能中的作用提供了新的线索。

卫星DNA序列作为染色体结构的重要组成部分，其分布模式和特征对于研究染色体进化和基因组结构具有重要意义。本研究通过TAREAN工具对卫星DNA序列进行了分析，并结合FISH技术对它们的染色体定位进行了验证。结果表明，某些卫星序列在所有染色体上都有分布，而另一些则只在特定的亚基因组或染色体区域出现。例如，CpaSat1A和CpurSat1A这两个序列被鉴定为着丝粒相关的卫星序列，并在两个物种的染色体上显示出相似的分布模式。这些发现不仅有助于理解Cenchrus属植物的染色体结构，还为探索其基因组进化提供了新的视角。

此外，研究人员还发现了一些与亚基因组相关的特异性卫星序列，这些序列可能在不同亚基因组之间经历了不同的复制和扩增过程。例如，CpurSat9Z和CpurSat7Y被鉴定为B亚基因组的特异性标记，而CpurSat5Y则被发现与A′亚基因组相关。这些结果表明，重复序列的分布可能与亚基因组的起源和进化过程密切相关。同时，某些卫星序列的分布模式并不完全符合基因组组装的结果，这可能是因为重复序列在基因组组装过程中存在一定的挑战，或者是因为这些序列在两个物种中的丰度不足以被充分检测到。

在对重复序列的进化历史进行分析时，研究人员发现，C. americanus的重复基因组成分比C. purpureus更为丰富，这可能与其多倍化历史有关。C. americanus作为一个假想的古多倍体，经历了多次多倍化和二倍化事件，这些事件可能促进了重复序列的积累。相比之下，C. purpureus作为较新的异源四倍体，其重复序列的分布可能更加多样化，反映了其在进化过程中与其他祖先基因组的融合和分化。这种差异不仅有助于理解这两个物种的基因组结构，也为探讨禾本科植物的多倍化机制提供了新的数据支持。

研究还揭示了某些重复序列在两个物种之间的同源性，这可能与它们的共同祖先有关。例如，某些卫星序列在C. purpureus和C. americanus的基因组中都有出现，这表明这些序列可能在它们的共同进化过程中被保留下来。然而，其他序列则只存在于其中一个物种中，这可能意味着它们在不同的亚基因组中经历了不同的扩增和复制过程。这些发现为理解Cenchrus属植物的基因组进化提供了重要的证据，并为未来研究这些物种的亚基因组起源和分化提供了新的方向。

总之，本研究通过对C. purpureus和C. americanus重复基因组成分的详细分析，揭示了这两个物种在基因组结构和进化历史上的重要差异。研究结果表明，重复序列的组成和分布与物种的多倍化历史密切相关，并可能影响它们的染色体结构和功能。此外，通过FISH技术对卫星序列的定位，研究人员进一步验证了这些序列在染色体上的特异性分布，为探索禾本科植物的基因组进化提供了新的工具和方法。这些发现不仅有助于理解Cenchrus属植物的遗传多样性，也为未来研究其他禾本科植物的重复序列和亚基因组进化提供了重要的参考。