1320個RNA-Seq揭示了水稻適應性進化的分子機制

2020-09-05 愛科學愛自然

基因表達水平調控植物的各種表型，然而自然選擇如何影響基因表達，以及它們在適應性進化中的作用，仍然未知。2020年2月13日，Nature雜誌在線發表了來自美國紐約大學Michael D. Purugganan課題組題為「The strength and pattern of natural selection on gene expression in rice」的研究論文。該研究通過RNAseq方法測量1320株生長在乾旱和水分充足的水稻葉片，全方位地分析水稻基因表達和表型，評估了自然選擇對水稻基因表達的類型和強度的變化。



植物在動態且不適宜的環境中不斷調整新陳代謝和發育。氣候變化加劇了植物生長環境的嚴重性和不可預測性，包括水和溫度的極端情況。


為了研究自然選擇對水稻基因表達的類型和強度的變化，該研究評估了兩個水稻群體的轉錄組變異，其中一組包括136個分布不同的秈稻品種，另一種包括84個分布不同的粳稻品種（見下圖a）。然後將兩組水稻群體分別種植在乾旱和水分充足的實驗田裡，每個品種種植三重複植株（如下圖b）。在播種後50天（相當於在旱地停水17天後）使用了mRNA-Seq方法測序共計1320株植物葉片的mRNA水平，隨後使用表型選擇分析在乾旱和溼潤條件下15635個基因轉錄水平的選擇類型和強度變化。



該研究表明，在水分充足的田野條件下，大多數轉錄本的變化（幾乎）是中性的，表明水稻處在相對較弱的選擇條件下。但是在乾旱條件下，水稻受到的選擇強度更強。同時，研究進一步表明，選擇強度與順式元件的調控水平和表達網絡連接性呈弱的負相關性，這與之前報導是相似的。



之後，該研究利用多變量分析表明，選擇壓力會作用於光合作用相關基因的表達，但在乾旱條件下，選擇的效果會受到遺傳的限制。同時，由於開花時間是乾旱條件下最強選擇的性狀，研究表明乾旱條件下，促進開花的MADS轉錄因子OsMADS18表達的增加與早開花緊密相關，表明OsMADS18是一個重要的乾旱逃逸基因。




綜上所述，該研究使用表型選擇分析的方法，可以測量整個基因組中單個基因正在進行選擇的強度和類型，為以後通過調節基因表達來驅動適應性進化的內在和外在因素提供了可能性。


iPlants評：

近期有多篇高水平的文章通過大量群體的全基因重測序或者RNAseq方法得到重要的結論，其中文章算法複雜難懂，但思路簡單，觀點很新穎。因此，在我們的科研中，同樣的測序數據，換個思路和角度，其研究的意義也許就不同。


論文連結：https://www.nature.com/articles/s41586-020-1997-2

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