Глобальный транскриптомный анализ аллополиплоидизации выявил большие

Биология связи, том 6, Номер статьи: 426 (2023) Цитировать эту статью

842 Доступа

4 Альтметрика

Подробности о метриках

Линии синтетической гексаплоидной пшеницы (SHW) создаются в качестве предварительной селекционной зародышевой плазмы с целью разнообразить субгеном D гексаплоидной пшеницы и извлечь выгоду из неиспользованного генетического разнообразия генофонда Aegilops tauschii. Однако фенотипы, наблюдаемые у Ae. tauschii не всегда восстанавливаются в линиях SHW, возможно, из-за межсубгеномных взаимодействий. Чтобы выяснить этот феномен перепрограммирования генома после полиплоидизации, мы провели секвенирование РНК четырех линий SHW и их соответствующих тетраплоидных и диплоидных родителей в десяти тканях и трех биологических повторах. Анализ смещения экспрессии гомеологов (HEB) с использованием более 18 000 триад предполагает массовое подавление гомеоаллелей субгенома D у SHW. Сравнительный транскриптомный анализ всего геномного набора генов еще раз подтвердил этот вывод. Альтернативный анализ сплайсинга генов с высокой степенью достоверности указывает на дополнительный уровень сложности, на котором идентифицируются все пять событий сплайсинга, а сохраненный интрон является преобладающим. Экспрессия гомеолога при ресинтезе гексаплоидной пшеницы имеет значение для использования и обращения с этой зародышевой плазмой в селекции, поскольку она связана с фиксацией эффектов эпистатического взаимодействия между субгеномами при полиплоидизации. Этой зародышевой плазме необходимо уделять особое внимание при предварительной селекции, чтобы учитывать степень межсубгеномных взаимодействий на экспрессию генов и их влияние на признаки улучшения сельскохозяйственных культур.

События полногеномной дупликации являются одной из основных движущих сил видообразования1,2,3. Большинство покрытосеменных растений претерпели полиплоидизацию в ходе своей эволюции, и, в частности, 30% видов сельскохозяйственных культур считаются полиплоидными на основании количества дуплицированных локусов в их геноме4. В линии травы произошло как минимум три полных дупликации генома5, в результате чего все семейство Poaceae стало полиплоидным. Часто обнаруживается, что события дупликации всего генома связаны со значительным эволюционным потенциалом, который способствует адаптации к изменяющейся среде6,7. Есть несколько интригующих вопросов, связанных с полиплоидами: от первоначальных динамических изменений, которые они претерпевают в геноме для стабилизации, до их становления в виде дискретных популяций8. Полиплоидизация создает обширную избыточность в геноме, тем самым открывая путь для новых изменений, которые способствуют развитию новых фенотипов и/или адаптации9.

Мягкая пшеница (Triticum aestivum L.) представляет собой аллогексаплоидную культуру (2n = 6x = 42), состоящую из субгеномов A, B и D. Естественные случайные гибридизации, произошедшие ~8000 лет назад между культурной пшеницей полбой (Triticum turgidum L. ssp. dicoccum, 2n = 4x = 28; геном AABB) и козлятником Тауша (Aegilops tauschii Coss., 2n = 2x = 14; геном DD) , за которым последовало удвоение хромосом, привело к развитию современной мягкой пшеницы10,11. По-видимому, лишь ограниченное количество Ae. растения tauschii способствовали эволюции гексаплоидной пшеницы, что привело к эволюционному узкому месту, называемому эффектом основателя12; узкое место, которое еще больше сужается из-за ограниченного естественного потока генетических вариаций от диплоидных к гексаплоидным видам13,14 и последующего одомашнивания и разведения.

Дикие родственники видов сельскохозяйственных культур являются источником генетического разнообразия по множеству важных для сельского хозяйства признаков. Однако существуют определенные ограничения их использования, включая сопротивление сцеплению, бесплодие и плохую перекрестную совместимость15. Предварительная селекция — это систематический подход, целью которого является восстановление генетического разнообразия диких родственников сельскохозяйственных культур и использование его в программах селекции. Традиционно желаемые геномные сегменты дикорастущих видов сельскохозяйственных культур интрогрессируются в элитные сорта путем повторного обратного скрещивания при поддержке современных инструментов полногеномного генотипирования для выбора переднего и заднего плана. SHW, полученные в результате искусственной гибридизации T. turgidum ssp. durum (AABB) или другие подвиды и Ae. tauschii (DD) с последующим удвоением хромосом служат эффективными популяциями перед селекцией для расширения генетического разнообразия субгенома D гексаплоидной пшеницы. ТБО, разработанные Международным центром улучшения кукурузы и пшеницы (CIMMYT, Мексика)16,17, широко использовались в программах по обогащению генетического разнообразия пшеницы в нескольких странах. Позже другие исследовательские институты и программы улучшения пшеницы по всему миру также производили ТБО с использованием различных источников Ae. tauschii в качестве базовых популяций для коммерческой селекции пшеницы.