短串联重复序列突变揭示拟南芥复杂性状遗传力的重要来源

为解决"遗传力缺失"问题，研究人员开展拟南芥短串联重复序列(STR)研究，发现STR突变率(5.55×10-3/位点/代)远超SNP，通过关联分析鉴定到3,871个表达相关STR(eSTR)和651个剪接相关STR(sSTR)，证实STR可解释基因表达(11.1%)、剪接(14.3%)和表型(10.1%)变异的显著比例，为复杂性状遗传机制提供新见解。

　　

在生命科学领域，"遗传力缺失"现象长期困扰着研究人员——全基因组关联分析(GWAS)能解释的遗传力远低于实际观测值。这一谜题的核心在于传统研究主要关注单核苷酸多态性(SNP)，而忽略了基因组中更具动态性的短串联重复序列(STR)。这些由1-6个碱基组成的重复单元，因其高突变率和调控功能，被认为是潜在的"遗传力黑洞"。拟南芥作为模式植物，拥有丰富的基因组和表型数据，为破解这一难题提供了理想体系。

中国科学院植物研究所系统与进化植物学国家重点实验室的研究人员在《Genome Biology》发表重要成果。研究整合7个突变积累系、10个染色体水平基因组和1,168个重测序数据，首次系统揭示了STR在拟南芥中的进化动态和功能影响。研究发现STR突变率高达5.55×10^-3/位点/代，是SNP的6个数量级；通过关联分析鉴定到3,871个表达相关STR(eSTR)和651个剪接相关STR(sSTR)，其中1,000余个与已知GWAS信号共定位；更重要的是，STR可解释基因表达(11.1%)、剪接(14.3%)和表型(10.1%)变异的显著比例，为"遗传力缺失"提供了分子解释。

关键技术包括：利用Tandem Repeat Finder(TRF)进行全基因组STR鉴定；基于突变积累系计算STR突变率；采用HipSTR分析重测序数据的STR长度变异；通过线性回归模型鉴定eSTR和sSTR；使用CAVIAR进行精细定位；应用LDAK-thin模型估算遗传力贡献。

【STR在突变积累系中的突变图谱】

分析7个突变积累系发现STR突变率存在显著遗传背景差异(5.55×10^-3-2.53×10^-2)，二核苷酸重复突变率最高(2.45×10^-3)，且非编码区突变率(3.18×10^-3)显著高于编码区。

【自然群体中STR突变图谱】

比较10个组装基因组发现29.3%STR存在存在/缺失变异(PAV)，36.5%有长度变异(LV)；与近缘种琴叶拟南芥比较显示>70%STR为物种特异性，揭示STR快速进化特征。

【STR长度变异对基因表达和剪接的影响】

在413个转录组中鉴定到3,871个eSTR，其中58.8%随长度增加上调基因表达；发现354个sSTR主要富集在UTR和内含子区，如PGI1基因内含子STR负调控剪接效率。

【STR长度变异对表型变异的贡献】

共定位分析显示9,629个STR与13,004个GWAS信号相关，如RPM1下游STR影响假单胞菌抗性；遗传力分解表明STR平均解释10.1%表型变异，其中果实数量性状解释度高达65.97%。

该研究首次在植物中系统量化了STR对多层级遗传力的贡献，揭示STR是基因组中进化最快、功能最丰富的遗传元件之一。其高突变率为环境适应提供原材料，而多层次的调控能力（从转录到剪接）使其成为连接基因型与表型的关键桥梁。这些发现不仅为"遗传力缺失"提供新解释，也为作物改良和疾病研究开辟了新视角——在未来的遗传分析中，STR应该从"被忽视的序列"转变为"重点关注的调控元件"。