杂交和基因组加倍与面包小麦亚基因组中密码子使用景观的关联

《Frontiers in Plant Science》：Association of hybridization and genome doubling with codon usage landscapes in the subgenomes of bread wheat

　　

摘要

引言：异源多倍体的成功部分归因于它们在异源多倍化后早期世代中解决基因组冲突的能力。密码子使用模式是重要的基因组特征，密码子使用偏好可通过多种过程影响基因表达和细胞功能。然而，关于异源多倍化过程中密码子使用的亚基因组冲突如何被解决，目前知之甚少。

方法：研究人员表征了从面包小麦野生祖先种到现代面包小麦的密码子使用变化。此外，研究人员生成了节节麦（父本）、硬粒小麦（母本）、其三倍体杂种以及自发加倍异源六倍体小麦的全长转录组，以研究与杂交和基因组加倍相关的密码子使用变化。

结果：面包小麦进化上分化的亚基因组表现出相似的密码子使用模式，而面包小麦的密码子使用模式与其野生祖先种显著不同，后者倾向于在第三位密码子处具有更高的GC含量（GC₃）。这些差异与从野生祖先种到面包小麦转变过程中亚基因组GC₃的不对称变化相关。GC₃的变化还与GC₃贫乏基因平均转录本数量的急剧减少相关。对合成异源多倍化系统的分析进一步揭示了在面包小麦异源多倍化的连续阶段（包括杂交和基因组加倍）中密码子使用的不同变化。特别地，基因组加倍伴随着GC₃的增加，这有助于在面包小麦中观察到富含GC₃的密码子使用偏好。

讨论：这些发现揭示了小麦异源多倍化过程中密码子使用模式的动态重塑和趋同，并表明杂交和基因组加倍对这一过程有不同的贡献。研究结果为异源多倍体中密码子使用景观的演化提供了新的见解，并可能增进对异源多倍化后亚基因组适应（subgenomic accommodation）的理解。

面包小麦（Triticum aestivum L.，AABBDD）是一种约一万年前由栽培四倍体二粒小麦（Triticum turgidum L.，AABB）与野生二倍体节节麦（Aegilops tauschii，DD）杂交后染色体加倍形成的异源六倍体物种。异源多倍体在形成后早期世代需要通过调控基因组冲突以实现基因组稳定化，而密码子使用模式作为重要的基因组特征，其偏好可通过多种机制影响基因表达和细胞功能。然而，异源多倍化过程中亚基因组之间密码子使用冲突如何被解决，以及杂交和基因组加倍各自的作用，仍知之甚少。为此，研究人员系统比较了面包小麦与其野生祖先种的密码子使用景观，并利用人工合成的异源多倍化体系解析了杂交与基因组加倍两个阶段对密码子使用的具体影响。该研究发表在《Frontiers in Plant Science》。

研究人员从公共数据库获取了面包小麦（中国春）、硬粒小麦（Svevo）、野生二粒小麦（Zavitan）、节节麦（AL8/78）和水稻（日本晴）的高置信度编码序列（CDS），通过滑动窗口分析染色体及窗口水平的密码子组成；同时利用共线性同源基因对（CIHGP）评估基因结构变化对GC₃增加的贡献。为直接检测杂交和基因组加倍的影响，研究人员对4个节节麦品系（P1–P4）、硬粒小麦品种Langdon（L）、4个三倍体杂种（T1–T4）和4个自发加倍异源六倍体（H1–H4）进行了PacBio Iso-Seq全长转录组测序，并依据基因组定位将转录本分配到各亚基因组，计算相应的密码子组成与GC含量。

**研究结果**

**1. 面包小麦进化上分化的亚基因组具有相同的密码子使用模式。** 通过计算面包小麦21条染色体两两间的密码子组成相关性，研究人员发现任意两条染色体间的密码子组成近乎完全一致（平均r=0.998），AB与D亚基因组之间各密码子比例无显著差异；18个氨基酸对应的最高频密码子（占其同义密码子比例20.5%–66.9%）第三位均为G或C。将染色体划分为高、中、低重组区后，低重组区与高/中重组区的密码子组成相关性较低，但各重组区内AB与D亚基因组仍保持一致。

**2. 面包小麦亚基因组在组织水平上具有相同的密码子使用。** 利用12个组织（种子、穗、茎、叶、根、幼苗、胚乳、内果皮、外果皮、雄蕊、雌蕊化雄蕊和雌蕊）的表达基因及组织特异表达基因，研究人员发现各组织间密码子组成高度相关（平均r=0.975–0.996），亚基因组间差异极少数。按表达量（TPM）分组的基因间，密码子组成相关性随TPM差异增大而降低，但21条染色体间的相关性仍较强，且AB与D亚基因组间无显著差异。

**3. 面包小麦比其野生祖先更倾向于GC₃富集密码子。** 在染色体水平上，面包小麦与野生二粒小麦和节节麦相比，绝大多数密码子的比例发生显著变化（AB亚基因组和D亚基因组各有60个密码子）。其中，第三位为A或T的33个共同密码子比例显著下降，第三位为G或C的28个密码子比例显著增加。在低重组区中，也有类似的趋势但变化幅度较小，表明面包小麦相对于其野生祖先在染色体层面普遍具有更多的GC₃富集密码子。

**4. 面包小麦密码子使用模式可能促进了野生祖先到面包小麦GC₃的不对称增加。** 面包小麦AB和D亚基因组的GC-CDS（编码序列总GC含量）分别为53.66%和53.81%，显著高于野生二粒小麦（50.31%）和节节麦（50.86%），且AB亚基因组增幅（3.35%）大于D亚基因组（2.95%），呈现不对称性。在GC1、GC2、GC3三个密码子位点中，GC₃对GC-CDS及其增加的贡献最大（相关系数分别为0.973和0.952）。此外，GC-CDS及其增加与局部基因组GC（GC-GS）无相关或弱相关，说明GC-CDS的变化不依赖于局部碱基组成背景。

**5. GC₃的增加与转录本数量减少密切相关，尤其是GC₃贫乏基因。** 研究人员通过CIHGP比较了野生祖先和面包小麦间的基因结构变化，发现每个基因转录本数量的变化对GC₃增加的贡献最大（AB亚基因组5.00%，D亚基因组6.03%），其次为转录本CDS长度比例变化（AB 4.40%，D 4.35%），而平均CDS长度变化贡献为负值。野生祖先中GC₃较低的基因在面包小麦中丢失更多转录本（AB r=0.761，D r=0.667）。此外，最长CDS转录本（TLC）的GC₃增加与其长度增加正相关（AB r=0.682，D r=0.548），与外显子数增加负相关（AB r=-0.676，D r=-0.690）。

**6. 在面包小麦异源多倍化过程中，GC₃的增加与杂交后的基因组加倍相关。** 基于PacBio Iso-Seq对亲本、三倍体杂种和加倍异源六倍体的全长转录组分析，研究人员发现三倍体杂种与加倍异源六倍体之间的密码子组成相关性最低，表明此阶段变化最大。杂交阶段GC₃下降（AB -2.04%，D -1.61%），而基因组加倍阶段GC₃显著上升（AB 4.05%，D 3.95%），GC-CDS也随之先降后升。基因组加倍期间，AB和D亚基因组中分别有19和16个密码子的比例显著增加，且第三位均为G或C；而减少的密码子大多第三位为A或T。低重组区也具有相同趋势，最终导致加倍异源六倍体中呈现GC₃富集的密码子使用偏好。

在讨论部分，研究人员指出，观察到的转录本数量减少可能受参考基因组注释质量、测序深度和转录本回收效率影响，应视为转录组关联而非确定的生物学丢失。此外，基因拷贝数和存在/缺失变异未被独立量化，可能对结果产生干扰。从生物学角度看，异源多倍化后的GC₃演化可能受突变偏好、翻译效率和准确性选择、GC偏向基因转换等多种机制共同影响。研究结论可概括为：在小麦异源多倍化过程中，密码子使用模式经历了动态重塑并趋于一致，杂交和基因组加倍对密码子使用变化具有不同贡献，其中基因组加倍驱动了GC₃升高并最终形成面包小麦GC₃富集的密码子使用特征。这些发现为理解异源多倍体中密码子使用景观的演化及异源多倍化后的亚基因组适应提供了新见解。