野生Prunus yedoensis自然杂交基因组中五聚重复肽基因的调控稳定性

《Plant Science》：Regulatory stability of pentatricopeptide repeat genes in a natural hybrid genome of wild Prunus yedoensis

　　

Kwanuk Lee

韩国济州岛济州国立大学生物系，63243

摘要

五聚重复肽（PPR）蛋白是细胞器RNA代谢的核心调节因子，参与叶绿体和线粒体中的RNA编辑、剪接、稳定及翻译过程。由于细胞器基因表达需要核基因组与细胞质基因组之间的精细协调，杂交可能会破坏这种平衡。然而，像PPR蛋白这样的关键核编码细胞器调节因子在自然杂交基因组中是否会发生调控分化，目前尚无定论。本研究对野生Prunus yedoensis中的PPR基因进行了全面的基因组范围和转录组整合分析。通过使用单倍型解析的参考基因组、基于覆盖度的亲本来源分类、多组织RNA-seq分析、结构亚类注释、细胞器靶向预测以及可变剪接分析等方法，发现992个经过整理的PPR基因中，其亲本来源组成与基因组背景相当，没有表现出母本或父本来源基因的富集现象。尽管亲本来源组成存在轻微但具有统计学意义的差异，但这种模式在P型和PLS型亚类中普遍存在。表达谱分析显示，不同亲本来源类别之间的表达分布高度重叠，组织特异性（τ）值也相当。此外，未检测到PPR基因存在具有统计学意义的组织依赖性可变剪接（AS）事件。尽管部分基因在特定组织中表达富集，但基于同源性的功能注释表明它们在细胞器RNA处理中具有保守的作用。总体而言，这些结果表明PPR基因构成了一个转录上受限制的调节模块，有助于维持杂交基因组中的细胞器功能稳定性。

引言

五聚重复肽（PPR）蛋白是陆地植物中最大的基因家族之一，主要在线粒体和叶绿体中发挥作用，参与RNA编辑、内含子剪接、RNA稳定及翻译等关键转录后过程（Lurin等人，2004年；Barkan和Small，2014年；Wang和Tan，2025年）。PPR蛋白对于细胞器的生物发生以及通过RNA代谢协调核基因组和细胞器基因表达至关重要（Small和Peeters，2000年；Barkan，2011年；Meng等人，2024年）。从结构上看，PPR蛋白由串联排列的简并35个氨基酸重复序列组成，这些重复序列折叠成反平行α螺旋结构，形成能够特异性识别细胞器转录本的模块化RNA结合表面（Barkan和Small，2014年）。根据重复序列组成和C端结构域，植物PPR蛋白大致分为P型和PLS型亚家族。PLS型亚家族通常包含与细胞器RNA编辑活性相关的E、E+和DYW结构域（Xing等人，2018年；Wang和Tan，2025年；Lee，2026年）。由于细胞器RNA调控缺陷往往会导致严重的发育表型或致死性，PPR蛋白通常被认为受到强烈的功能和进化约束（Schmitz-Linneweber和Small，2008年；Barkan和Small，2014年）。尽管PPR基因在不同组织和环境条件下的表达模式存在差异，但这种转录变异的调控机制及其在复杂植物基因组中的限制或灵活性仍不明确（Hu等人，2024年；Lee，2026年）。

在开花植物中，杂交通过将不同的亲本基因组结合在单一核背景中引入了额外的调控复杂性（Rieseberg等人，1999年；Soltis和Soltis，2009年）。大量研究表明，杂交基因组在基因表达上常常表现出亲本来源的差异，这可能是由顺式调控分化、表观遗传不对称性或细胞核-细胞质不兼容性引起的（Chen，2013年；Yoo等人，2013年；Combes等人，2015年）。特别是对于那些产物与细胞器基因组相互作用的核基因，这种效应尤为明显（Greiner等人，2011年；Havird等人，2015年；Sloan等人，2017年）。尽管PPR蛋白在细胞器RNA代谢中起核心作用，但其在自然杂交基因组中是否表现出基于覆盖度的亲本来源差异、组织特异性转录分化或细胞器靶向不对称性仍不清楚。基于读取覆盖度的基因组范围评估仍然有限，因此尚不清楚杂交是否会影响这一关键基因家族的调控稳定性。

蔷薇科植物具有广泛的种间杂交和多样化特征，尤其是在Prunus属中，该属在东亚地区尤为多样，包含许多自然存在和人工培育的杂交种（Potter等人，2007年；Baek等人，2018年；Cho和Kim，2019年）。自然存在的同倍体杂交种Prunus yedoensis为研究杂交如何影响关键核基因家族的调控稳定性提供了极好的模型。先前的基因组研究表明，P. yedoensis是通过种间杂交产生的，并在其核基因组中保留了广泛的单倍型差异，反映了其杂交起源和高杂合性（Cho等人，2017年；Baek等人，2018年）。值得注意的是，该物种是济州岛特有的，主要由F₁代或早期杂交个体组成，属于自然维持的同倍体杂交谱系。高质量的单倍型解析参考基因组组装和分阶段基因注释，结合多组织RNA-seq数据集，使得能够系统地分析基于亲本重测序数据的覆盖度亲本来源以及营养组织和生殖组织中的转录组特征（Baek等人，2018年）。这些资源共同为评估杂交是否影响自然杂交植物系统中PPR基因的转录调控和细胞器相关功能稳定性提供了独特的机会。

来自假定母本（Prunus subhirtella）和父本（Prunus jamasakura）物种的全基因组重测序读段被映射到P. yedoensis参考基因组上，根据相对亲本映射富集情况对基因进行分类。这种方法已被用于研究杂交基因组中的亲本来源或基因组贡献模式（Roux等人，2016年；Keilwagen等人，2022年；Liu等人，2023年）。在此分析框架下，系统地测试了基于覆盖度的亲本来源、组织背景或亚细胞靶向是否对杂交基因组中的PPR基因家族的转录分化有贡献。通过明确比较母本来源、父本来源和共同PPR基因，获得了编码细胞器靶向PPR蛋白的核基因的调控稳定性定量评估。分析结果显示，PPR基因的分布主要反映了基因组范围内的亲本来源特征，组织相关的表达调节有限，并且在不同亲本来源类别中保持了相似的细胞器靶向分布。这些结果表明，PPR基因的转录稳定性与强烈的功能约束相关，支持了关键细胞核调控网络对杂交引起的基因组异质性的适应性。

章节片段

植物材料和基因组资源

Prunus yedoensis是广泛分布于韩国济州岛的自然同倍体杂交谱系。所有基因组分析均基于来自NCBI Assembly数据库的单倍型解析参考基因组组装Pyn_1.0（访问号GCA_002966975.2）及其相应的基因注释（Baek等人，2018年）。注释后的基因模型以GFF3格式提供，基于支架级别的基因组坐标。

PPR基因的亲本分类反映了基因组范围内的模式

利用这些资源，建立了一个整合了基因亲本分类、基因家族注释和多组织转录组分析的基因组范围分析框架（图1A-D）。基于来自假定亲本物种Prunus subhirtella（母本）和Prunus jamasakura（父本）的全基因组重测序读段的相对映射富集情况，P. yedoensis基因组中的基因被划分为母本来源、父本来源或共同来源类别（图1）。在40,471个注释基因中...

讨论

鉴于野生Prunus yedoensis的杂交起源，最初假设PPR基因可能会表现出基于覆盖度的亲本来源差异，反映了与细胞器相关的调控网络的谱系特异性分化。然而，基因组范围分析显示，PPR基因的亲本来源组成与基因组背景无显著差异，没有表现出母本或父本来源的富集现象。这些结果表明...

结论

野生Prunus yedoensis中PPR基因的调控分化主要与基因表达的空间调节有关，而基于覆盖度的亲本来源、可变剪接或转录结构变异的证据有限。因此，PPR基因代表了一个相对保守且转录上受限制的调节模块，能够在杂交基因组中维持细胞器的RNA代谢。同时，组织富集的表达现象揭示了...

CRediT作者贡献声明

Kwanuk Lee：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿撰写、可视化、资金获取、正式分析、数据管理、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了济州国立大学2024年的研究资助。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。