基于泛基因组的小麦群体转录组分析揭示表达多样性对现代育种改良的贡献

《Nature Communications》：Population-scale gene expression analysis reveals the contribution of expression diversity to the modern wheat improvement

本研究针对小麦RNA-seq分析中单一参考基因组存在的引入片段表达偏差问题，对328份小麦品种进行转录组测序，结合44个基因组构建非冗余泛基因图谱。通过eQTL分析构建基因调控网络，发现超20%的农艺性状相关基因为中国春参考基因组中缺失的基因，并利用突变体库验证了73.7%候选基因的功能。该研究为小麦育种提供了重要资源和新见解。

　　

小麦作为全球最重要的粮食作物，为人类提供19%的日常热量和21%的蛋白质需求。面对气候变化和人口增长的双重挑战，提高小麦产量和抗逆性变得尤为关键。然而，现代小麦育种在提高产量的同时，也导致了遗传多样性的减少，这可能限制未来育种进展。

传统的小麦研究主要关注序列多态性，而对基因表达多样性的研究相对不足。更为棘手的是，复杂多倍体小麦基因组中普遍存在外源基因渗入现象，而使用单一参考基因组（如中国春）进行RNA-seq分析时，会导致引入片段基因表达的严重低估，这种现象被称为"参考偏差"。

为了解决这一问题，中国科学院遗传与发育生物学研究所张智萌、马盛伟等研究人员在《Nature Communications》上发表了最新研究成果。研究团队对328份小麦品种（包括地方品种和中国、美国现代品种）进行RNA-seq分析，结合44个公开可用的小麦族基因组，构建了包含232,736个基因的非冗余泛基因图谱。

研究采用的主要技术方法包括：基于群体转录组测序的数据获取，利用44个基因组构建泛基因图谱进行表达量化，整合eQTL分析、GWAS、TWAS和SMR多方法筛选候选基因，以及通过肯农9204突变体库进行功能验证。

单参考偏差低估了渗入基因的表达

研究人员首先评估了1RS.1BL易位（黑麦1R染色体短臂与小麦1B染色体短臂易位）对基因表达量化的影响。结果显示，在使用中国春参考基因组时，渗入系中1BS染色体区域表达的基因数量显著低于非渗入系。进一步鉴定出5个大于20Mb的大片段渗入区域，包括来自黑麦、Ae. markgrafii、Th. ponticum和T. timopheevii的渗入片段。通过将供体基因组与中国春参考基因组合并重新分析，成功恢复了渗入区域大量活跃表达的基因。

利用泛基因组资源进行准确的基因表达量化

研究团队构建的泛基因图谱包含三个部分：中国春的所有基因、大渗入片段基因以及其他39个基因组的非冗余基因。该图谱在群体水平检测到80,128个表达基因，比单一中国春参考多出23,296个基因。现代品种中表达的非中国春基因数量显著多于地方品种，表明现代育种增加了基因表达多样性。

渗入基因的表达模式分析

对渗入基因表达模式的分析发现，渗入片段中表达基因的比例在小麦渗入系中显著低于其野生供体。物种特异性基因的表达比例显著低于保守基因，且基因保守性与表达可能性呈正相关。差异表达分析显示，抗病相关基因在渗入系中上调表达，而基础代谢相关基因则下调表达，这与育种选择方向一致。

泛基因图谱的eQTL图谱

eQTL分析鉴定出45,901个eGene（受eQTL调控的基因），其中73.7%的eGene同时受基因区和基因间区调控。研究发现，65.19%的中国春基因的最强eQTL信号为顺式eQTL。针对渗入基因的eQTL分析显示，仅使用渗入系计算的eQTL在全基因组分布更均匀，能更准确反映小麦基因组对渗入基因的调控。

整合分析鉴定农艺性状候选基因

通过整合GWAS、TWAS、SMR和表达-表型相关性分析，研究鉴定出299个高置信度候选基因，其中74个为非中国春基因。利用肯农9204突变体库验证，73.7%的候选基因同源物在突变体中表现出显著表型效应，显著高于随机选择基因的验证比例。

亚群间差异表达基因和模块

比较分析发现，中国现代品种与美国现代品种间的表达差异小于它们与地方品种间的差异。差异表达基因中41.8%-55.9%为非中国春基因，凸显了单一参考基因组的局限性。共表达模块分析揭示了中美育种方向差异：中国品种侧重抗病性改良，而美国品种更关注发育调控和产量潜力。

群体分化和选择分析

F_ST分析和XP-CLR选择扫描表明，差异表达基因及其调控位点经历了更强的遗传分化和选择压力，说明育种选择在转录组水平留下了明显印记。

现代育种重塑基因调控网络

现代育种显著改变了基因共表达调控网络。在中国现代品种和美国现代品种中，active-eQTG与eGene间的共表达关系比例均显著高于地方品种，表明现代育种增加了调控网络的复杂性。

该研究通过构建泛基因图谱有效缓解了参考偏差问题，系统揭示了现代育种对小麦转录组的重塑作用。研究发现超过20%的农艺性状相关基因为中国春参考基因组中缺失的基因，强调了利用泛基因组资源的重要性。研究为理解育种驱动的表达变化如何影响小麦适应性和改良提供了新视角，为未来小麦育种提供了宝贵资源和理论指导。