PBJ | 华大研究院基于119个物种811个基因组信息构建了迄今植物中最大规模的TE动态图谱

学术   2025-01-17 07:48   英国  

近日,Plant Biotechnology Journal杂志在线发表了题为“Deciphering recent transposition patterns in plants through comparison of 811 genome assemblies”论文。该研究对来自119个物种和7个作物群体的811个基因组组装中的转座子动态进行了全面分析,构建了植物界的可移动原件(Transposable Elements,TEs)动态图谱,特别是利用一个物种中多个基因组组装来鉴定在该物种中可能仍然在活跃的TE,并系统比较了不同物种和TE超家族间,活性TE的异同点。进一步,鉴定了可能参与转座过程的功能基因和非编码RNA。最后,评估了TE的活动对作物进化和驯化的影响。研究团队报道的通过Genome-to-Genome的比较鉴定基因组中活跃的转座子,高效且易于扩展到其他物种的研究中。报导的植物TE动态图谱,可用于研究转座活性的驱动因素、探索转座子促进植物遗传创新和作物驯化的机制,并为设计TE相关的基因编辑工具及作物改良策略奠定了数据基础。

 自Barbara McClintock在20世纪40年代发现首个可在宿主基因组中自主移动的转座子(TE)以来(McClintock, 1950),TE已在几乎所有真核生物基因组中被发现(Feschotte et al., 2002; Osmanski et al., 2023; Wells and Feschotte, 2020)。根据转座机制的不同,TE主要分为两大类:I类和II类。I类逆转录转座子通过RNA中间体以“复制粘贴”机制进行转座(Finnegan, 1989),而II类DNA转座子则通过直接的“剪切粘贴”机制移动(Bourque et al., 2018; Feschotte and Pritham, 2007)。TE构成了植物基因组的重要部分,占比从单细胞藻类Bathycoccus prasinos的约1%到面包小麦基因组的高于85%(Wicker et al., 2018) (图1A)。除了改变基因组大小外(图1B),TE还可以通过转座、插入、切除、染色体断裂和异位重组等引发基因和基因组结构的变化。这些变化通常与基因功能或表达水平的改变相关,也可能影响植物表型(Jiao and Deng, 2007; Osmanski et al., 2023; Pulido and Casacuberta, 2023)。综上,转座活动是基因组进化的重要驱动力,然而如何衡量TE的活性,哪些因素影响其活性,转座活动对宿主基因组产生了哪些影响等问题都还有待系统的评估和研究。


随着基因测序技术的进步,越来越多非模式植物的基因组数据得到开放共享,该研究全面收集了来自公共数据库的811个高质量植物基因组组装,涵盖30个目,代表了38个物种丰富的目(>1,000个物种的目)中的25个(图 1C,1D),确保了结构变异和活性TE鉴定的全面性和可靠性。


 

图1. 研究背景概述。A.转座子构成了植物基因组的重要部分。B.转座子长度与植物基因组大小高度正相关。C.D.展示了 该研究分析的基因组在植物谱系中的位置。

为了鉴定单个物种群体中活跃的TE,评估影响TE活性的因素,并探索TE的活动对宿主基因组的影响,该研究的流程主要包括三个部分(图2):1)从公共数据库系统收集高质量的植物基因组组装数据(图2A);2)通过同一物种基因组间的genome-to-genome比较检测种内结构变异,并基于从头TE注释结果识别活性TE (图2B);3)结合活性TE的基因组位置与宿主功能基因和非编码RNA的注释,识别与转座相关以及受TE的活动影响的功能基因和非编码RNA (图2C)。

 

2. 研究的方法概述。A.研究流程。B.单个物种群体的活性TE的鉴定流程。C.分析活性TE相关的基因的图示。

通过对来自119个物种和7个作物群体的转座子动态的全面分析,该研究的结果包括(图3):1)检测到了13,844,553个由转座子引起的结构变异(TE-SVs),构建了119个植物物种的活性TE图谱;2)系统量化并比较了不同物种和转座子家族的TE的活性;3)识别了可能参与转座过程的功能基因和非编码RNA;4)评估了TE活动对7个作物群体进化和驯化的影响。

 

图3.研究的主要结果概述。

中国科学院大学生命科学学院博士生黄艳为论文的第一作者,华大研究院和中国科学院大学刘心教授、华大研究院Sunil Kumar Sahu教授为该研究工作的共同通讯作者。研究工作得到了国家自然科学基金项目的资助。

论文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/pbi.14570


References:

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