寫在前面
前日离陶，課題組每周小組會時排到我分享論文與研究進(jìn)展招刨。我大體看了下近期植物小RNA相關(guān)研究報道時，發(fā)現(xiàn)bioRxiv上沉眶，日本Takashi課題組上傳了其所開展的柿子基因組測序文章杉适。大體掃了一下，我便在課題組組會上分享片习。文章題目為《The persimmon genome reveals clues to the evolution of a lineage-specific sex determination system in plants》，文章主題有二：
- 公布柿子基因組測序結(jié)果
- 闡述柿子性別決定系統(tǒng)的進(jìn)化
研究相關(guān)背景
二倍體柿子雌雄異株藕咏。
Takashi組早在2014年秽五，即在science上發(fā)表了柿子性別決定基因的定位與功能鑒定。該報道主要內(nèi)容為
通過基因定位盲再，確定了柿子上MeGI基因（HB轉(zhuǎn)錄因子）表達(dá)抑制雄蕊發(fā)育，辭成雌花洲胖；柿子Y染色體上存在一個MeGI序列高度相似的非編碼基因OGI坯沪，該基因可轉(zhuǎn)錄并形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生小RNA并靶向MeGI腐晾，從而接觸MeGI對雄蕊的抑制，最終促成雄花淹冰。
大體邏輯即：
雌株：MeGI --| Male
雄株：OGI --| MeGI --| Male, 亦即 OGI --> Male
該工作發(fā)表兩年后，即2016年樱拴，Takashi組在The Plant Cell上發(fā)表了六倍體柿子性別決定相關(guān)論文。在轉(zhuǎn)錄調(diào)控（MeGI）和轉(zhuǎn)錄后調(diào)控（OGI）兩個層次上晶乔，增加一個新的層次，即表觀調(diào)控（甲基化）阵漏。其發(fā)現(xiàn)，六倍體柿子的雄性株常常出現(xiàn)雌花履怯。并通過系列分析與測序裆泳，確定是Y染色體的OGI啟動子區(qū)間插入了一個Kali轉(zhuǎn)座子元件。其甲基化程度的變化工禾，影響了OGI的功能實現(xiàn)。
柿子基因組的測定
二倍體柿子和六倍體柿子的花性決定系統(tǒng)存在多樣化，但調(diào)控的核心是沒有變化的笙隙，即MeGI。Takashi組常年以柿樹為材料竟痰，故其開展了該物種的基因組測定工作掏呼。
其通過PacBio測序，得到contigs莽鸿，隨后基于F1代簡化基因組測序構(gòu)建的遺傳圖譜拾给，掛成15條假染色體。整體上得到單倍型大小約1G的柿子基因組序列蒋得。從Circos圖來看，還是挺好看的饮焦。【注：簡單Circos圖繪制怕吴，歡迎使用我們課題組開發(fā)的TBtools】
鑒定了柿子獨立的全基因組復(fù)制事件（WGD）
作者開展物種內(nèi)同源基因的ks值計算并繪圖转绷。分別比較了葡萄殿雪，獼猴桃，番茄和柿子的ks值分布圖丙曙。【注：批量ks計算，一般直接簡單粗暴地使用NG法扯旷，歡迎使用我們課題組開發(fā)的TBtools】
左圖中可以看出葡萄對應(yīng)的雙子葉植物的古六倍化事件索抓。番茄對應(yīng)的茄科三倍化。獼猴桃獨立的兩次WGD事件逼肯。柿子也存在近期獨立的二倍化事件。右圖篮幢，作者繪制了4Dtv的分布，進(jìn)一步說明缺菌。
確定柿子WGD事件發(fā)生的時間
作者通過繪制柿子內(nèi)部，柿子與獼猴桃伴郁，柿子與葡萄之間的ks值分布蛋叼。基本確定柿子的WGD時間發(fā)生在其與獼猴桃分化之后鸦列。
同時薯嗤，其也基于ks值做了分化時間推斷，如右圖骆姐。
很巧的是捏题，作者提出肉渴，柿子的WGD時間恰恰就發(fā)生在K-pg時期。
K-pg時期是很有趣的一個時期循狰。不了解的人聽到這個或許都會覺得有趣。K-pg時期绪钥，即恐龍大滅絕的時期关炼。該時期也發(fā)現(xiàn)了大量植物WGD事件。
WGD產(chǎn)生的基因功能分析
基因復(fù)制儒拂，為基因突變提供了原料〖基因突變，往往帶來新的基因功能池户。作者對WGD產(chǎn)生的大量基因進(jìn)行了dn/ds計算凡怎，同時也做正選擇分析统倒。
從左圖看出氛雪，與預(yù)期相似，僅有極少數(shù)基因存在正選擇（dn/ds>>1）【注：批量dn/ds計算报亩，一般直接簡單粗暴地使用NG法，歡迎使用我們課題組開發(fā)的TBtools】岳链。從右圖，作者使用PAML軟件做了分支選擇壓力分析掸哑，并發(fā)現(xiàn)WGD產(chǎn)生的基因中，僅有一個拷貝受到顯著正選擇【注：開展正選擇分析苗分，調(diào)用的是codeML，新手使用難度大摔癣，歡迎使用Raindy與我一起開發(fā)的EasyCodeML，界面化操作戴卜，免除使用煩惱了和模型參數(shù)困擾】。
有趣的是叉瘩，作者同時發(fā)現(xiàn)粘捎，在少數(shù)幾個收到強(qiáng)烈正選擇的基因中，赫然出現(xiàn)MeGI (即攒磨，其在2014年與2016年發(fā)現(xiàn)的柿子性別決定系統(tǒng)的關(guān)鍵基因)
MeGI與其同源基因的功能分析
如上，作者發(fā)現(xiàn)了MeGI在柿子中存在一個姐妹基因灸撰，如下拼坎，MeGI與SiMeGI（Sister MeGI）
MeGI即HB轉(zhuǎn)錄因子家族，其構(gòu)建進(jìn)化樹债蓝，并確定了MeGI和SiMeGi的近緣或說復(fù)制關(guān)系。事實上饰迹，MeGI在大麥中的同源基因為Vist，該基因控制的是花器官的發(fā)育啊鸭，與性別分化沒有關(guān)系。
于是赠制，作者提出了猜想：
SiMeGI執(zhí)行的仍然是Vist的功能挟憔，而WGD之后柿子獲得了神奇MeGI库正，并演化出新的功能厘唾，促成其雌雄分化。
MeGI與SiMeGI受到不同的選擇壓
與上述方法相似抚垃，作者獲取了多個柿屬物種的MeGI和SiMeGI，并開展了選擇壓力分析【注：歡迎使用EasyCodeML】
其發(fā)現(xiàn)铣焊，MeGI分支相對于SiMeGI和其他物種的HB同源基因分子，受到了顯著正選擇（功能獲得）曲伊。同時追他，在MeGI和SiMeGI分化后，兩者均處于純化選擇（功能固定化）邑狸。
隨后，作者開始了神級操作单雾。對MeGI系列同源基因，進(jìn)行滑窗dn/ds計算屿储。【注：Ziheng Yang扩所，即PAML作者不推薦這個操作朴乖，具體有發(fā)表相關(guān)學(xué)術(shù)論文】
Anyway买羞，作者通過滑窗分析，發(fā)現(xiàn)MeGI分支的5端受到強(qiáng)烈的正選擇畜普，而其他區(qū)域群叶，尤其是HB域（即結(jié)合域）并沒有明顯變化钝荡。
其在進(jìn)一步比較MeGI和SiMeGI兩個分子內(nèi)部的滑窗Dn/Ds分布埠通，發(fā)現(xiàn)，MeGI受到了正選擇的區(qū)域（5端）端辱，在于SiMeGI分化后虽画，受到強(qiáng)烈的純化選擇。
MeGI與SiMeGI的基因功能驗證
紙上得來終覺淺码撰，分析的結(jié)果往往還是不足以說服別人。作者將MeGI和SiMeGI分別在煙草中進(jìn)行超表達(dá)脖岛，并觀察表型。
表型無需解釋混槐，超表達(dá)的MeGI直接影響了雄蕊發(fā)育轩性，從b和e子圖可看出，花粉萌發(fā)率差別顯著揣苏。此外，植株長勢也有不同脯厨。（MeGI畢竟是轉(zhuǎn)錄因子，在柿子中主要是花性別決定時表達(dá)且作用）
作者對柿子雌雄花在不同發(fā)育階段的表達(dá)進(jìn)行定量分析合武，也發(fā)現(xiàn)涡扼，只有在雌花中MeGI表達(dá)與SiMeGI有不同的峰。
此外吃沪，MeGI事實上是通過調(diào)控PI基因?qū)崿F(xiàn)功能，于是我們也可以看到SiMeGI并不影響PI表達(dá)。
作者通過DAP-seq不狮，證明了，MeGI的結(jié)合功能確實沒有變化摇零，與其他HB相同颈渊。（進(jìn)一步說明，5端的變化俊嗽，是其新功能獲得的關(guān)鍵）。
一圖闡述柿屬性別決定系統(tǒng)的進(jìn)化
柿子祖先在分化出來之后芯咧，僅僅有SiMeGI。其經(jīng)歷一次WGD后敬飒，獲得MeGI芬位。MeGI獲得新功能，抑制雄蕊昧碉，促成雌花。在隨后的一次反向復(fù)制后被饿，產(chǎn)生OGI，抑制MeGI功能闪金，解除雄花抑制，促成雄花哎垦。
寫在最后
前天在bioRxiv中上傳的文章恃疯。整體上看起來是非常不錯的工作。也說明了一些問題澡谭。從文章使用的分析策略和手段來說蛙奖，并沒有新的技術(shù)。甚至使用了Tophat等相對較老的軟件（該軟件作者一度發(fā)表聲明雁仲，希望大家不要再用）。此外攒砖，大部分進(jìn)化分析使用的是Mega，少數(shù)涉及PAML等吹艇。總的來說受神，作者似乎也與其他課題組開展了合作。這是不錯的操作财著。
文章所闡述的發(fā)現(xiàn)較好，轉(zhuǎn)基因?qū)嶒炓舱f明了基因的功能撑教。Bingo!相信將會發(fā)表在不錯的期刊上醉拓。
植物的性別決定是一個非常有趣的研究方向。在植物界廉嚼，僅有約5%的植物是雌雄異株，還有5%左右是雌雄異花同株怠噪。這樣占比較小的情況并沒有局限在某個進(jìn)化分支，而是遍布于不同的科甚至是科下面的部分屬矫夷。
性別的分化，主要目的双藕，事實是實現(xiàn)雜交阳仔，或者說增加物種的多樣性。但是雜交本身是一個相對耗費能量的事情。一個物種要快速繁衍延蟹，比如擬南芥，自交下一代自交下一代自交下一代阱飘，當(dāng)然就很快虱颗。只是無限的自交便失去多樣性。有利有弊忘渔。或許棋恼，性別分化的出現(xiàn)，確實主要還是應(yīng)為復(fù)雜環(huán)境變化的一個解吧爪飘。
主要參考文獻(xiàn)
