不同的基因组架构但相同的基因构成了植物超级基因（supergene）趋同演化的基础

《SCIENCE ADVANCES》：Distinct genomic architectures but the same gene underlie the convergent evolution of a plant supergene

　　

演化反映了创新与约束之间的平衡，常常在新背景下重新利用现有组件。趋同演化（convergent evolution）体现了这种相互作用，即相似性状在不同物种中独立演化，但使这种可重复性成为可能的基因组机制仍知之甚少。在此，研究人员通过分析10个染色体级别基因组组装（包括7个新生成的），发现S-基因座（S-locus）超级基因（supergene）（一个控制称为二型花柱（distyly）的花二态性的紧密连锁基因簇）在报春花科（Darwin研究二型花柱的标志性系统）内多次独立产生。在每种情况下，同一个基因被独立复制并利用。然而，由此产生的基因组架构不同，范围从半合子（hemizygous，存在于一条染色体拷贝上）到杂合（heterozygous，存在于两条拷贝上），这挑战了半合子是S-基因座固有特征的普遍观点，并为二型花柱超级基因形成提出了替代演化路径。通过揭示超级基因起源的多种机制，研究人员的工作表明趋同演化如何通过使用相同的遗传构件同时探索不同的基因组构型而产生相似表型。

论文发表于《SCIENCE ADVANCES》。研究背景方面，趋同演化（convergent evolution）是演化生物学的核心议题，指不同谱系独立获得相似性状，其遗传基础虽受关注，但当性状由分散的多基因控制时仍难以解析；超级基因（supergene，即重组受抑制、共同控制共适应多态性状的基因簇）为研究趋同提供了便利，因为可作为简单孟德尔位点与表型关联，并可探索基因组架构在适应与趋同中的作用。二型花柱（distyly）是被子植物中独立多次出现的花二态性（同物种共存“pin”长花柱短雄蕊和“thrum”短花柱长雄蕊两种花型，雌雄蕊互补位置促进异交），其S-基因座（S-locus）超级基因已有较多研究：已知多个远缘类群的S-基因座均涉及使雄蕊变短（style缩短）的关键基因多通过灭活油菜素甾醇（brassinosteroid）实现，且已知S-基因座多呈半合子（hemizygous）架构（thrum为S/s，pin为s/s，S-单倍型含特有基因，s-单倍型缺失），类似性别决定区（如Y染色体）具半合子、重组受抑、多共适应等位基因等特征；这引出了主流假说：S-基因座起源于基因复制与易位至同一（S）单倍型，从起始即为半合子；另一种可能是半合子次生来源于s-单倍型基因丢失，但尚无报道。报春花科（Primulaceae）是Darwin起研究的二型花柱模型科，系统学推断其中二型花柱独立起源三次（Primula祖先、Hottonia palustris、Androsace vitaliana）；Primula的S-基因座含四个核心基因CYP^T、GLO^T、KFB^T、PUM^T，其中CYP^T通过灭活油菜素甾醇（brassinosteroid）决定thrum短花柱及雌不亲和，GLO^T调控雄蕊抬高；但H. palustris和A. vitaliana的S-基因座未知。目前存在的问题包括：二型花柱S-基因座在报春花科内是多起源还是一次起源后非二型花柱谱系独立丢失/修饰；是否所有物种S-基因座均为半合子、均使用相同基因与架构；超级基因是已互作基因共定位还是已共定位基因新功能化（neofunctionalization）而来；重组受抑扩张的演化过程如何。为此研究人员以10个染色体级别基因组（8种报春花科物种共10个组装，其中7个为新生成）为材料开展研究。

主要关键技术方法：研究人员采集报春花科二型花柱物种Hottonia palustris、Androsace vitaliana及非二型花柱近缘种Hottonia inflata、Androsace wulfeniana、Androsace septentrionalis、Aegiceras corniculatum与已发表Primula veris、Primula edelbergii共8种，其中H. palustris和A. vitaliana做了单个体单倍型分型（haplotype-phased）组装（thrum与pin各一单倍型），其余为常规二倍体组装；测序平台结合短读长Illumina、长读长Oxford Nanopore（Androsace）或PacBio HiFi（Hottonia），染色质构象捕获用Hi-C（Androsace、H. inflata）或Omni-C（H. palustris）进行染色体挂载，组装流程含混合组装（MaSuRCA）、HiFiasm、YaHS、3d-dna/Juicer手动校正等；群体样本队列含H. palustris 28个体（14 pin、14 thrum）全基因组重测序（WGS）、A. vitaliana两批各24和14个体（各半pin/thrum，后者来自标本馆标本）WGS；基因注释用RNA-seq（多组织包括花、蕾、叶）结合ab initio（BRAKER训练AUGUSTUS、GeneMark）、同源（SwissProt、OrthoDB）及转录组证据整合于MAKER；S-基因座识别采用形态特异性k-mer分析（Jellyfish计数，比对定位）、群体基因组分化（F_ST、等位基因频率偏倚杂合度计算于5 kb窗口）、与Primula S-基因同源比对三重策略；单倍型间共线性与同义替换（d_S）用MCScan（JCVI）、ParaAT计算；演化层（stratum）分析依据d_S阶梯分布；基因家族与系统发育用OrthoFinder聚类、OMM_MACSE对齐蛋白编码序列、MrBayes贝叶斯树、AleRax基因树—物种树调和、BEAST宽松分子钟定年（化石校准包括被子植物冠/干、真双子叶冠、杜鹃花目冠、报春花科干、Primula干）；转座元件（TE）注释用EDTA流程（LTRharvest、LTR_retriever、TIR-Learner等）与RepeatMasker；表达分析用Salmon定量、DESeq2比较S/s等位基因在花与叶的组织偏向；着丝粒预测用quarTeT CentroMiner（串联重复阵列验证用ModDotPlot）、端粒用quarTeT TeloExplorer。

研究结果如下：

Comparative genomic analyses of distylous and nondistylous species reveal a lack of interspecific synteny：研究人员通过对新组装的10个基因组进行比较基因组分析，发现属间缺乏全基因组共线性；A. vitaliana与A. wulfeniana共享一次全基因组复制（WGD，约8.0 Ma），而A. septentrionalis无此WGD；所有新组装BUSCO完整性＞95%，确认染色体级别高质量。

The S-locus of Hottonia and Primula evolved in their common ancestor：研究人员通过对H. palustris群体形态特异性k-mer定位、F_ST与杂合度峰值分析，将S-基因座定位于染色体9约12.77 Mb区域（36.81~49.56 Mb，含115基因），单倍型共线性显示S-单倍型115基因、s-单倍型120基因，其中22个S-特异、25个s-特异、87个共有；该区域d_S（S vs s）显著高于基因组背景，重组受抑，TE在s-单倍型（85.86%）高于S-单倍型（80.31%）；S-单倍型特异基因中含HpHpGLO^T1/2、HpPUM^T、HpCYP^T、HpKFB^T，与Primula S-基因同源且表达模式相似，但呈散布于共有基因间（非完全连续半合子块）；H. inflata对应区域保留PUM^T、KFB^T但缺失CYP^T、GLO^T；Primula与Hottonia S-基因座为同源（起源于两属共同祖先），非二型花柱H. inflata与某些非二型花柱Primula是因次生丢失（H. inflata缺CYP^T/GLO^T，非二型花柱Primula多为CYP^T失活）；H. palustris S-基因座位于染色体9且横跨着丝粒，Primula分别位于染色体1、2但均近着丝粒，说明S-基因座在起源后至少两次易位但保留近着丝粒倾向；H. palustris架构为部分杂合（heterozygous）部分半合子（hemizygous），挑战了S-基因座必为完全半合子的观点。

The A. vitaliana S-locus originated independently from the Primula/Hottonia S-locus：研究人员对A. vitaliana两批群体做k-mer特异性与F_ST、杂合度分析，将S-基因座定位于染色体5末端约70 kb区域（975~1045 kb），含三个基因AvCSE^T、AvEH^T、AvCYP^T（s-单倍型对应AvCSE^P、AvEH^P、AvCYP^P），三基因在S与s单倍型均存在（完全杂合架构，非半合子），共线性延续至侧翼；AvCYP^T为CYP734家族复制拷贝（源于A. vitaliana分支WGD），AvCSE（caffeoyl shikimate esterase）与AvEH（epoxide hydrolase）与邻近基因在报春花科各物种共线，说明物理连锁早于二型花柱起源；表达分析显示thrum花中AvCYP^T与AvEH^T相对于s-等位基因上调；该S-基因座d_S（S vs s）未显著升高，但TE在S-单倍型（25.40%）显著高于s-单倍型（6.94%），LD强；此S-基因座远离着丝粒（染色体5端，距着丝粒~7.3 Mb），为首个完全杂合架构二型花柱S-基因座，且独立起源于Primula/Hottonia谱系之外；AvCYP^T同样是灭活油菜素甾醇（brassinosteroid）相关基因CYP734复制而来。

The same gene (CYP^T) was independently co-opted in the S-loci of Androsace and Primula/Hottonia：研究人员通过基因家族系统发育与BEAST定年发现，Primula/Hottonia的CYP^T、GLO^T等源于二者共同祖先时独立复制（CYP^T约45 Ma，GLO^T约36 Ma）后易位至S-区；A. vitaliana的AvCYP^T源于其分支特有WGD（约8.0 Ma）中CYP734复制，S/s分化时间AvCYP约1.7 Ma、AvEH约7.3 Ma、AvCSE约1.4 Ma；即CYP^T在Primula/Hottonia支与Androsace支分别异步独立复制并被招募（co-opted）进S-基因座控制二型花柱短花柱性状；说明趋同演化重复使用同一遗传构件（CYP^T家族，功能为灭活油菜素甾醇（brassinosteroid）），但基因组架构（Primula/Hottonia为半合子块、A. vitaliana为杂合三基因块、H. palustris为混杂半合子+杂合大区域）与起源方式（Primula/Hottonia为逐步复制易位、A. vitaliana为WGD整体区块新功能化）不同。

The S-locus of A. vitaliana originated via a selective sieve：研究人员通过共线性比对发现A. vitaliana的AvCSE、AvEH、AvCYP三基因在报春花科各物种（含非二型花柱外群）均共线且物理连锁，说明其连锁先于二型花柱起源；结合三基因同时由WGD复制并在A. vitaliana中S/s等位基因分化时间较近，符合“Turner’s sieve”模型（物理连锁基因中突变带来适合度优势而被选择共同遗传）与“segmental duplication”模型（WGD区块整体复制后新功能化），而非“translocation”模型（分散基因后期易位聚集）；此S-基因座为完全杂合（heterozygous），表明半合子非超级基因起源固有特征，可为早期阶段或替代路线。

Two evolutionary strata in the expanded S-locus of H. palustris：研究人员比较H. palustris S-与s-单倍型d_S及与P. veris同源基因d_S，发现S vs s d_S低于种间d_S，说明重组受抑扩张晚于H. palustris与Primula分化；该S-基因座（12.77 Mb，115基因）比Primula（~260 kb，4~5基因）大得多，但侧翼与Primula/Androsace共线基因集相当，说明是H. palustris谱系内重组受抑区扩张而非Primula收缩；按d_S（S vs s）阶梯分布识别出两个演化层（stratum）：老层63基因（d_S0.012~0.121）、新层24基因（d_S0~0.058），Wilcoxon检验显著不同；老层基因间重排更多，着丝粒（LINE富集）位于两层间偏老层侧，提示初始重组受抑可能始于近着丝粒半合子S-核心区块，后因结构变异扩展出层1，再后续变异形成层2；此为首个在半合子超级基因外描述重组受抑扩张层叠的例子。

讨论部分总结：研究人员通过报春花科二型花柱S-超级基因（supergene）趋同演化分析表明，演化是在探索基因组可能性空间：不同谱系产生相似表型（二型花柱）可通过重用相同遗传构件（如CYP^T家族灭活油菜素甾醇（brassinosteroid））但采取不同基因组架构（半合子、杂合、混杂扩张型）与不同起源机制（逐步易位、WGD区块新功能化）实现；这支持Jacob的“演化修补”（evolutionary tinkering）概念（重利用现有组件）与Ohno基因复制促新表型假说；超级基因不一定起源于重组受抑区（如A. vitaliana远离着丝粒且为杂合），半合子非固有，可为次生或替代路线；H. palustris S-基因座具演化层（strata）类似性别决定区演化模式，着丝粒促进重组受抑扩张；同一功能基因（CYP^T）独立招募说明分子与演化约束（可用遗传 toolkit）导向趋同结果；研究揭示了超级基因起源多元机制，深化了对表型与基因型趋同关系的理解，对适应与基因组架构互动提供普适见解。