甜菜（Beta vulgaris）候选自交不亲和位点的鉴定：T2/S-RNase候选基因与复杂S位点

《Theoretical and Applied Genetics》：Identification of a candidate self-incompatibility locus in beet (Beta vulgaris)

　　

核心信息：本研究为甜菜（Beta vulgaris）中候选自交不亲和位点提供了首个基因组证据，鉴定出T₂/S-RNase候选基因以及甜菜2号染色体上的一个复杂S位点。对自交不亲和与自交亲和的甜菜类群的比较揭示了与交配系统转变相关的结构退化。这项工作为研究未被充分研究的类群中的自交不亲和建立了一个基因组学优先框架，并为作物育种和植物生殖系统进化提供了重要意义。

摘要：大多数被子植物维持多种机制以防止自花受精。其中一种机制，即遗传性自交不亲和（self-incompatibility, SI）系统，存在于约一半的被子植物中。由于SI系统的多样性和缺乏同源性，其研究变得复杂，因此仅有少数类群的SI系统被描述。然而，基于RNase的SI系统（RNase-based SI, RSI）已显现出在真双子叶植物中广泛分布且可能是祖先性的。RSI已在至少六个植物科中被识别，最近也在石竹目（Caryophyllales）中被发现。本研究利用RSI系统的累积知识和高质量的基因组资源，研究甜菜（Beta vulgaris）中RSI的存在。Beta属包含自交亲和与自交不亲和的类群。研究人员检查了五个甜菜基因组组装中的基因，以鉴定RSI雌性组分的候选基因，即T₂/S-RNase，及其对应的候选S位点。甜菜2号染色体上的一个位点符合研究人员的标准，并得到系统发育数据、序列特征和S-RNase特有表达模式的支持。Beta属中的候选S位点高度重复，在不同品种中观察到基因拷贝数变异。通过比较B. vulgaris的候选S位点与自交亲和的野生甜菜B. patula的候选S位点，研究人员推测生殖模式与S位点结构之间可能存在联系。分析表明，源自一个祖先且高度保守基因家族的S-RNase基因在Beta属中存在并活跃，执行生殖功能。该研究采用基因组学优先的方法，为T₂/S-RNase进化提供了见解，并为阐明糖用甜菜及其近缘种的SI奠定了基础。

大多数被子植物通过多种机制避免自花受精，其中遗传性自交不亲和（self-incompatibility, SI）系统存在于约一半被子植物中，但其分子机制仅在少数类群中被描述，这归因于SI组分的多样性和缺乏同源性。基于RNase的SI系统（RNase-based SI, RSI）在真双子叶植物中广泛分布，并可能为祖先状态，已在至少六个科及最近在石竹目中被确认。甜菜属（Beta）包含自交亲和与自交不亲和类群，糖用甜菜作为全球食糖重要作物，其自交不亲和的分子基础却长期未知。近年来高质量基因组资源迅速积累，为从基因组角度筛查SI候选基因提供了条件。该研究利用对RSI系统的已知知识和五个甜菜基因组组装，旨在鉴定甜菜中RSI雌性组分T₂/S-RNase对应基因及候选S位点，并比较自交亲和与不亲和类群的S位点结构，以揭示繁殖方式转变的基因组痕迹。

针对这一空白，研究人员系统检查了五个甜菜基因组组装，鉴定出一个位于甜菜2号染色体（BvChr2）的候选S位点，包含多个T₂/S-RNase和F-box基因；序列特性与表达模式支持其为功能性S-RNase。通过比较自交不亲和的糖用甜菜和自交亲和的B. patula，发现B. patula的候选S区发生结构和序列退化，提示S位点状态与交配系统有关。该研究首次为甜菜中SI的存在提供基因组证据，并建立了基因组学优先的研究框架，对作物育种和植物生殖进化具有重要意义。

主要技术方法：研究人员利用五个甜菜基因组组装，包括来自基因型KWS2320的两个长读长组装RefBeet-1.95和2320BvONT、品系EL10（EL10.2）、Strube U2BV v.1.0（U2BvONT）以及自交亲和野生甜菜B. patula的短读长组装Bpat-1.0；结合公共RNA-seq数据。采用系统发育基因组学方法，构建已知T₂/S-RNase蛋白数据库，通过blastp检索候选同源基因，再经eggNOG-mapper功能注释和HMMER搜索确认。使用MAFFT比对和IQTREE2重建系统发育树，据此分配T₂/S-RNase类别。随后评估候选蛋白的等电点、内含子数目及保守组氨酸残基；用STAR将RNA-seq reads比对到同基因组装，RSEM和edgeR定量表达。最后，利用minimap2和spaln进行共线性和蛋白质-核苷酸比对，界定候选S位点并比较不同组装及B. patula中的结构。

**系统发育基因组学分析揭示T₂/S-RNase基因的动态特性**

研究人员构建了包含615个已知T₂/S-RNase蛋白的数据库，对四个糖用甜菜基因组组装进行blastp检索，获得每个组装15–25个候选基因。系统发育树支持I、II、III三类，其中类III包含两个甜菜候选组，一组位于BvChr8，另一组位于BvChr1和BvChr2。候选基因未与已知S-RNase形成单系，但类III的存在符合RSI预期。SLF基因搜索鉴定到164–206个候选，但未发现直接对应S位点的SLF。

**基因特性与表达鉴定出S-RNase候选基因**

对类III候选基因分析，发现仅一组具有S-RNase典型特征：强碱性等电点、两个内含子、两个保守组氨酸。RNA-seq数据显示，位于BvChr2和未锚定contig的候选基因主要在花序表达，而BvChr1候选在营养组织表达，后者不太可能参与SI。最终确定四个候选基因集中于BvChr2一个区域。

**甜菜中的复杂候选S区域表现出基因重复**

在RefBeet组装中候选S位点跨度为128,076 bp，每个T₂/S-RNase基因两侧有F-box基因。不同组装中拷贝数不同（RefBeet鉴定4个，2320BvONT鉴定6个），提示该区域存在近期重复或组装注释不一致。部分基因含有导致移码的缺失/插入，可能已假基因化。

**候选S位点在糖用甜菜中共线性，在B. patula中退化**

通过共线性比较，四个糖用甜菜组装中候选S位点侧翼基因高保守，但内部基因数目和结构差异大。B. patula的候选S区域位于scaffold 1153，长度不足30 kbp，远小于糖用甜菜中最短S位点。该区域序列无法与糖用甜菜可靠比对，仅找到与T₂/S-RNase匹配的单个片段，其中存在移码和大量替换，可能为假基因。这支持SI丧失伴随S位点退化。

讨论部分指出，候选S位点的重复结构和快速进化与已知RSI系统相似；B. patula中S位点的退化与自交亲和表型转变一致。然而，候选F-box基因在多个组织中表达，缺乏花粉特异性，且糖用甜菜基因组中未显示S位点杂合性，可能因重复结构掩盖或组装局限。未来需结合花粉/柱头转录组、野生群体取样和可控杂交进行验证。研究结论翻译如下：研究人员提出证据表明，T₂/S-RNase基因源自一个祖先且高度保守的基因家族，并在Beta属中持续存在和活跃。多种证据支持甜菜含有参与生殖功能的S位点。该研究为阐明糖用甜菜及其近缘种的SI机制奠定了基础。