棉花异源多倍体化进程中基因表达演化的即时与长期效应解析

《aBIOTECH》：The evolution of gene expression in allopolyploid cotton relative to parental diploids and induced haploids

本研究针对棉花异源多倍体形成过程中基因组加倍（WGD）的即时效应研究空白，通过比较二倍体棉种（G. arboreum, A2；G. raimondii, D5）、其合成F1杂交种（A2× D5）、天然异源四倍体（G. hirsutum, AD1；G. barbadense, AD2）及其诱导单倍体（hAD1, hAD2）的转录组，揭示了单倍体化对基因表达的影响远小于杂交和多倍体化，凸显了物种特异性长期进化的重要作用。研究明确了染色体分离和核小体动力学与倍性变化的关联，发现单倍体化通过改变反式（trans）环境模糊了同源表达分歧，导致同源表达偏向（HEB）减少。这些发现为理解棉花异源多倍体化进程中基因表达演化的时间动态和调控机制提供了更精细的视角。

　　

在植物进化历程中，多倍体化或称全基因组加倍（Whole-Genome Duplication, WGD）是一种普遍而强大的力量，塑造了所有现代开花植物的基因组。这一过程不仅带来细胞增大等生理和发育变化，还常常赋予植物更强的逆境适应能力和作物增产潜力。异源多倍体化，即种间杂交伴随全基因组加倍，对植物产生即时和长期的进化效应。然而，在棉花（Gossypium spp.）中，由于缺乏人工合成的异源多倍体材料，基因组加倍（WGD）的即时影响一直研究不足。栽培棉花物种G. hirsutum（AD₁）和G. barbadense（AD₂）均是由祖先A基因组和D基因组二倍体在大约1-2百万年前合并形成的异源四倍体。尽管已有大量研究比较了异源多倍体棉花与其二倍体亲本以及合成杂交种，并将基因表达演化划分为不同的时间组件，但从杂交到基因组加倍及其后漫长进化过程中的效应隔离仍具挑战。

为了填补这一空白，研究人员开展了一项创新性研究，他们将来自异源四倍体物种G. hirsutum（AD₁）和G. barbadense（AD₂）的单倍体系纳入转录组比较，旨在分离基因组加倍的即时效应（通过单倍体诱导反向研究）与自然异源多倍体化的长期后果。这项研究为解决棉花异源多倍体化的转录组后果提供了更高分辨率的视角。

为开展研究，作者主要应用了以下几项关键技术：研究材料包括七个棉花基因型（二倍体亲本A₂和D₅、其合成F₁杂交种、两个天然异源四倍体AD₁和AD₂及其衍生的单倍体hAD₁和hAD₂）。利用流式细胞术确认倍性水平。对34个叶片RNA-seq样本进行测序，数据比对至G. hirsutum参考基因组。采用主成分分析（PCA）评估样本关系。通过DESeq2进行差异基因表达（DEG）分析。基于22,889个正交-同源基因对（OGs）分析同源表达偏向（HEB）和总表达模式（如表达水平优势ELD）。扩展等位基因特异性表达（ASE）分析框架以解析顺式（cis）和反式（trans）调控效应。并进行基因本体论（GO）富集分析以揭示差异表达基因的生物学功能。

2.1. 七个棉花基因型叶片的RNA-seq分析

研究人员对七个棉花基因型的叶片进行了RNA-seq分析，包括二倍体、合成F₁杂交种、天然异源四倍体及其单倍体衍生系。通过流式细胞术验证了单倍体材料的倍性。主成分分析（PCA）显示样本形成了三个明显的簇，区分了二倍体、F₁杂交种以及四倍体/单倍体群体。在异源多倍体簇内部，G. hirsutum（AD₁）与其单倍体（hAD₁）形成 distinct 的组，而G. barbadense（AD₂）与其单倍体（hAD₂）则难以区分，这可能与AD₂基因型本身来源于加倍单倍体（DH）系，遗传背景更稳定有关。

2.2. 与异源多倍体化相比，单倍体诱导过程中的基因表达变化较小

通过基因表达差异比较发现，与亲本二倍体（A₂D₅）相比，合成F₁杂交种中仅有9.3%的基因差异表达，远少于异源四倍体（AD₁和AD₂）及其单倍体（约28.0-32.4%）。这表明初始的种间基因组合并导致的表达变化远少于异源多倍体化。相比之下，四倍体与其单倍体对应物之间差异表达的基因很少（AD₁vs. hAD₁为7.5%，AD₂vs. hAD₂为0.5%），表明倍性减少的影响较小。多因子差异分析进一步证实，与物种效应（14.6%的基因）相比，倍性水平效应（6.0%的基因）对基因表达的影响相对有限。功能富集分析显示，与倍性水平相关的差异表达基因主要富集在负调控乙烯激活信号通路、茉莉酸生物合成过程、调控染色体分离和核复制叉等术语上。特别值得关注的是在基因组加倍和单倍体诱导之间共享的差异表达基因，它们代表了倍性相关变化的相反方向。

2.3. 单倍体化过程中同源表达偏向（HEB）程度降低

对22,889个正交-同源基因对（OGs）的分析显示，亲本二倍体（A₂和D₅）之间约有32%的OGs存在亲本表达差异。在F₁杂交种中，仅有15.7%的OGs表现出A和D亚基因组之间的不等表达，表明杂交减少了亚基因组表达差异。然而，在AD₁和AD₂中，分别有34.3%和32.9%的OGs表现出同源表达偏向（HEB）。单倍体诱导后，HEB程度降低，在hAD₁和hAD₂中分别有20.3%和26.2%的OGs表现出HEB。这些结果共同表明倍性水平与亚基因组间基因表达分歧呈正相关。HEB动态分析显示，在从二倍体到F₁杂交种，再到四倍体及其单倍体衍生物的倍性转变过程中，67.2-86.3%的OGs的HEB模式保持稳定。改变的HEB模式主要涉及偏见的获得或丢失，而偏见方向之间的逆转极少（<1%）。进化影响评估显示，异源多倍体化效应最强，其次是基因组加倍和杂交，而单倍体化效应最小，这与差异基因表达的结果一致。

2.4. 倍性减少显示出持续的仅反式（trans-only）效应

研究人员扩展了经典的等位基因特异性表达（ASE）分析框架，将四倍体及其单倍体衍生物纳入分析，将OGs划分为七种调控类别。大多数OGs（70.5%-82.1%）属于保守（VI）和模糊（VII）类别。值得注意的是，表现出顺式和/或反式调控效应（I-V）的OGs在四倍体（29.4-29.5%）和单倍体（24.9-25.3%）中比在F₁杂交种（17.9%）中更常见。四倍体与单倍体的比较显示，四倍体含有更高比例的仅顺式（cis-only）效应和顺式+反式（cis+trans）效应的OGs，对应于四倍体中更多表现出HEB的OGs。相比之下，不与HEB关联的仅反式（trans-only）效应（II）在单倍体中和在四倍体中一样强甚至更强，这可能是由于倍性减少引起的反式调控环境变化所致。此外，在F₁杂交种、四倍体和单倍体中，HEB水平与顺式调控变异呈正相关，支持了调控分歧在杂交后持续积累的假设。

2.5. 非加性表达模式分析

对同源基因对总表达（At + Dt）的继承模式分析显示，加性表达（总表达等于亲本平均值）在F₁杂交种中最普遍（60.9%），在四倍体和单倍体中稳定在45.1-50.5%。非加性模式（包括A或D基因组表达水平优势（ELD）和超亲表达）在四倍体和单倍体中比在F₁杂交种中更常见。值得注意的是，在F₁杂交种中，D基因组优势（13.4%）超过A基因组优势（6.4%），而在其他基因型中则观察到相反情况（即A优势 > D优势），这主要是由于杂交后从加性表达转变为A优势表达所致。单倍体化进一步强化了这一趋势。对表现出HEB的OGs分析发现，在所有基因型中，超亲下调的OGs主要偏向At，而超亲上调的OGs常常偏向Dt。最后，研究发现顺式-反式调控模式（I-V）与总表达模式之间存在显著关联。

本研究通过系统比较棉花单倍体、杂交种和多倍体基因型的转录组响应，实现了对异源多倍体化转录组后果的更精细解析。研究结果表明，倍性的即时变化对整体基因表达的影响有限，但影响了与染色体动力学和转录调控相关的特定生物学过程。单倍体化（作为基因组加倍的反向过程）对基因表达的影响远小于杂交和异源多倍体化，突出了物种特异性长期进化在塑造异源多倍体棉花基因表达景观中的更大作用。同源表达偏向（HEB）在异源多倍体中相对于F₁杂交种的扩展可以通过单倍体化逆转，强调了生物物理因素（如表达噪音）在塑造HEB程度中的重要意义。扩展的顺式-反式调控分析揭示了随着倍性变化，顺式调控增加伴随持续的反式-only效应。这些发现深化了我们对基因组加倍如何塑造调控复杂性的理解，并为解释植物中多倍体驱动的转录组进化提供了一个更广泛的框架。该研究于2026年发表在《aBIOTECH》期刊上。