塔里木大学李志军课题组基于胡杨染色体水平雌雄基因组的组装揭示性别决定和性二态性的分子基础

雌雄株基因组的分别从头组装和性染色体的解析对于阐明性染色体的进化和性别决定机制非常重要。然而，到目前为止还没有一项研究同时独立从头组装雌株和雄株的基因组。同时，胡杨中性染色体之间的结构差异及其性别连锁区是否完整仍不清楚。胡杨在形态和花絮的繁殖成本方面具有性别二态性，但它的基因组、转录组和表观遗传方面的基础尚不明确。

近日，塔里木大学生命科学与技术学院李志军课题组联合浙江师范大学化学与生命科学学院吴智华课题组在Communications Biology发表了题为“Chromosome-scale assemblies of the male and female Populus euphratica genomes reveal the molecular basis of sex determination and sexual dimorphism”的研究论文。

研究采用Illumina，PacBio，和Hi-C三维基因组学技术相结合，分别独立组装得到了胡杨雌株（XX）和雄株（XY）染色体水平的基因组，解析得到了22.7 Mb的X染色体和24.8 Mb的Y染色体（图1）。通过对雌雄个体基因组DNA进行BSA（bulked segregant analysis）分析，在Y染色体上发现了一个相对完整的761kb的近端粒性别连锁区（sex-linked region, SLR）。在SLR中，雌性化因子ARR17（ARABIDOPSIS RESPONSE REGULATOR 17）部分重复序列的重组可能受到其侧翼的回文臂和高密度累积的反转座子的抑制。倒置的ARR17小片段由于放松选择成为了不能编码蛋白的假基因，但其通过产生24nt小干扰RNA（siRNA）靶向于常染色体上ARR17基因的启动子区诱导其发生雄株特有的超甲基化，从而触发性别决定（图2）。性别连锁区中倒置结构的断点区域，检测到两个雄株特有的融合基因，其编码带有NB-ARC结构域的蛋白质，这可能是免疫反应中观察到性别二态性的原因。上述结果表明，SLR遵循了之前提出的性染色体进化动力学模型，并促进了我们对杨树性别决定和性染色体进化的理解。基于胡杨雌雄基因组结果，团队还开发了胡杨性别鉴定的特异DNA分子标记并申报国际专利一项，制定了新疆维吾尔自治区地方标准——胡杨雌雄株分子鉴定技术规程（图3），为促进该研究中相关成果的快速落地转化与应用提供支持。

图1 胡杨染色体水平的雄株和雌株基因组. a 胡杨雄株（青色，左）和雌株（红色，右）基因组的19条染色体. b–e 基因密度（b）、串联重复序列（c）、转座子（d）和GC含量（e）在染色体上的分布. f 胡杨雌雄株花序和叶片中的基因表达水平（从外部到内部：雌株花序、雌株叶片、雄株花序以及雄株叶片）. g-h 胡杨雌（g）雄株（h）当年生茎中CG（红色）、CHG（蓝色）和CHH（紫色）模式下DNA甲基化的水平. i 基于BSA重测序的SNPs密度分布图. j 雄株和雌株基因组之间的同线性关系.

图2 胡杨ARR17基因的雌雄差异甲基化参与胡杨的性别决定. a 19号染色体上的ARR17在14号染色体（Y）雄性特有区MSY-III中存在部分重复. b胡杨19号染色体上ARR17及其同源基因ARR16编码区的示意图. c 胡杨当年生茎中ARR17基因在不同环境下雌株和雄株的甲基化水平. 图中横坐标轴上的1和2分别表示来自不同境中的雌雄差异甲基化. d Ka/Ks比值显示ARR17片段中外显子受到的选择压. e-f 胡杨雌株和雄株性别特异性高甲基化基因的GO富集（生物过程）.

图3 胡杨性别鉴定的特异DNA分子标记PCR产物电泳检测结果. M：DNA Marker（Trans DL2000）；雄株特有标记（FF）阳性样品：2，3，4，6，8，10，12，14，15，16，17，18胶孔；阳性对照：22胶孔；雄株特有标记（FF）阴性样品：1，5，7，9，11，13，19，20，21胶孔；阴性对照：23胶孔；空白对照：CK胶孔.

塔里木大学生命科学与技术学院张山河，浙江师范大学化学与生命科学学院吴智华，北京诺禾致源科技股份有限公司马德为该论文共同第一作者，塔里木大学生命科学与技术学院李志军及焦培培为共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金—新疆联合基金项目、新疆生产建设兵团重点领域创新团队建设计划以及兵团科技创新人才计划的支持。

原文地址：

https://www.nature.com/articles/s42003-022-04145-7

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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