白菜自交不亲和基因BrSRK、BrSLG与BrSP11/BrSCR的密码子使用偏好性分析揭示其协同进化机制

本研究首次对白菜自交不亲和关键基因BrSRK（S位点受体激酶）、BrSLG（S位点糖蛋白）和BrSP11/BrSCR（S位点蛋白11/富含半胱氨酸蛋白）的密码子使用偏好性进行系统分析，揭示其AT富集特征及自然选择主导的进化动力，通过RSCU聚类准确区分I/II类单倍型，为解析自交不亲和信号通路协同进化提供新视角。

　　

在开花植物中，自交不亲和性是一种防止自花授粉、促进异花授粉的重要遗传机制，由S位点基因介导的花粉-雌蕊特异性识别系统控制。白菜（Brassica rapa）作为典型的孢子体自交不亲和植物，其S位点包含三个关键基因：花粉决定因子BrSP11/BrSCR（S-locus protein 11/S-locus cysteine-rich protein）、雌蕊决定因子BrSRK（S-locus receptor kinase）以及增强识别强度的BrSLG（S-locus glycoprotein）。尽管这些基因的功能和相互作用已被广泛研究，但其密码子使用偏好性特征及进化驱动力尚未阐明。密码子使用偏好性是基因表达调控和物种进化的重要指标，解析这一规律对揭示基因功能、优化转基因表达及理解宿主-病原共进化具有深远意义。

针对这一科学问题，来自中国的研究团队在《Genetic Resources and Crop Evolution》发表了创新性研究。该研究首次对白菜37个BrSRK、16个BrSLG和17个BrSP11/BrSCR等位基因的S结构域进行系统分析，通过Codon W、MEGA和SPSS等生物信息学工具，结合PR2图、ENC-GC3图、中性绘图和多元统计分析，揭示了这些基因的密码子使用模式及其进化驱动力。

关键技术方法包括：1）从NCBI GenBank获取基因序列；2）使用Python和Codon W分析核苷酸组成及密码子使用参数（GC₁₂、GC₃、ENC等）；3）通过RSCU值识别过表达密码子；4）采用PCA、PR2和中性绘图区分自然选择与突变压力的影响；5）基于CDS和RSCU值的邻接法（NJ）和层次聚类构建系统发育树。

研究结果主要包括：
核苷酸组成分析：发现BrSP11/BrSCR、BrSRK和BrSLG编码序列均呈现AT富集（61.78%、54.14%和53.88%），且密码子第三位偏好以A/T结尾，其中BrSP11/BrSCR的A₃含量最高（33.63±3.66%）。

RSCU分析：鉴定出BrSP11/BrSCR的9个过表达密码子（如UUA、GUU）、BrSRK的2个（CUU、AGA）和BrSLG的3个（CUU、GCU、AGA），91.3%的高频密码子以A/T结尾。

进化驱动力：ENC值均大于40（47.94-56.79）表明密码子偏好性较弱。PR2图和ENC-GC3图显示自然选择是主要驱动力（回归分析占比81.2%-97%），突变压力次之（3%-18.8%），二核苷酸丰度（如BrSP11/BrSCR中UG过表达）也有显著影响。

聚类分析：基于RSCU的层次聚类与CDS的NJ聚类结果高度一致，均能准确区分I/II类单倍型，且BrSRK与对应BrSLG等位基因（如BrSRK45-BrSLG45）呈现共聚类现象。

研究结论指出，白菜自交不亲和基因在密码子使用模式上存在显著协同进化特征，表现为相似的AT富集、自然选择主导的进化动力以及功能相关基因的聚类一致性。这一发现不仅为解析自交不亲和信号通路的分子机制提供新视角，还为作物育种中基因功能优化和转基因设计奠定理论基础。例如，通过密码子优化可提高外源基因在白菜中的表达效率，而低密码子偏好性可能有利于BrSP11/BrSCR与BrSRK的互作识别。该研究首次将密码子使用偏好性分析与自交不亲和基因进化关联，为植物生殖生物学研究开辟了新思路。