High-Quality Chromosome-Level Genomes Reveal the Structure and Evolution of the S and Z Self-Incompatibility Loci in Leymus chinensis高质量染色体水平基因组揭示羊草 S 与 Z 自交不亲和位点的结构与演化羊草Leymus chinensis是欧亚草原的优势牧草物种兼具广泛的生态适应性与优良饲草品质Huang 等。但其配子体型自交不亲和SI系统严重制约种子产量延长育种周期。在禾本科植物中自交不亲和由两个复等位、独立遗传的位点 S 与 Z 控制然而该系统被发现数十年后其分子决定因子与调控机制仍尚不明确LundqvistHayman。近期研究表明两个花粉特异性基因DUF247未知功能结构域 247以及一个雌蕊特异性基因HPS10大麦雌蕊特异性基因 10是自交不亲和发挥功能所必需的Kakeda 等Manzanares 等Lian 等Wang 等Rohner 等。尽管羊草已有染色体水平基因组组装版本但 S、Z 位点的基因注释仍不完整Li 等。本研究优化了羊草的基因组组装结果并构建优良育种系 Lc6 的全长转录组用于校正基因模型。同时本研究完成新麦草Psathyrostachys junceaNs 亚基因组供体祖先种的从头染色体级别基因组组装为开展亚基因组演化以及 S、Z 位点起源的比较分析提供基础。优化后的羊草基因组得到两套单倍型总大小 7.96 Gb分别包含 1121、1014 个 contigN50 均大于 40 Mb见补充表。经染色体锚定得到 28 条染色体水平的假分子序列锚定率高于 96%见图 1。总体来看相较于旧版参考基因组更新后的组装版本在连续性与染色体完整度上均得到提升。采用相同组装策略新麦草基因组得到两套单倍型大小分别为 6.33 Gb、6.38 Gbcontig 数目依次为 827、229N50 大于 120 Mb染色体锚定率超过 99%。BUSCO通用单拷贝直系同源基因评估结果表明两份基因组的注释完整度均处于较高水平见补充表、补充图。羊草亚基因组演化以及 S、Z 位点的不对称分布(a) 羊草基因组 Circos 圈图依次展示亚基因组归属I、GC 含量分布II、基因密度III、Gypsy 转座子密度IV、Copia 转座子密度V、两套单倍型之间的共线性区块VI。 (b) 全基因组单倍型比对揭示全基因组水平杂合度。 (c) 羊草与代表麦族物种的系统发育树。橙色线条标注多倍化发生时间物种全称见补充表。 (d) Ks 值分布反映全基因组复制事件与物种分化事件。 (e) 按 Ks 值着色的共线性区块用于表征分化时间。 (f) 利用同源性与共线性鉴定 S、Z 位点。缩写注释Lc羊草Lp多年生黑麦草Ol长雄蕊野生稻。 (g) S、Z 位点的亚基因组不对称分布特征。 (h) 羊草 S、Z 位点起源与分化的推测演化模型。为解析多倍体形成与亚基因组分化的发生顺序本研究选取代表性物种构建麦族系统发育树。比较基因组分析显示羊草与新麦草的 Ns 亚基因组聚为同一分支长穗偃麦草则与小麦 ABD 亚基因组归为一类该结果支持系统发育拓扑结构图 1。Ks 分析检测到 3 个峰0.5Xm 亚基因组在多倍体形成之前约 823 万年前就已经与其 E 基因组祖先发生分化随后在约 635 万年前发生异源四倍化Ns 亚基因组后续在约 336 万年前发生基因丢失图 1。上述演化事件很可能造成羊草 Ns 亚基因组与现存新麦草基因组之间的基因组大小差异。结合同源比对与共线性分析本研究将羊草 S、Z 位点定位至 1Xm、2Xm 染色体图 1同时鉴定到 1 个 HPS 基因HPS10II该基因位于经典 Z 位点区域之外。PacBio HiFi 读段比对与 HiC 互作图谱证实该区域结构完整见补充材料。经过人工基因注释校正DUF247I/II 与 HPS10 蛋白序列呈现清晰的单倍型分化特征Xm 亚基因组中DUF247为雄蕊特异性表达HPS10为雌蕊特异性表达见补充材料。共线性分析表明该位点侧翼基因顺序与大多数禾本科植物保守一致图 1。值得注意的是Ns 亚基因组中并未检测到DUF247与HPS10基因说明发生了演化丢失体现亚基因组不对称分布现象。为探究 S、Z 位点起源本研究从基因家族中提取 DUF247 基因序列。二穗短柄草拥有更多 DUF247IIZ 同源基因提示 Z 位点起源更为古老见补充材料。基于 101 份羊草材料的 DUF247 蛋白序列构建系统发育树划分得到 4 个分支其中 DUF247IIZ 的序列多样性更高见补充材料。跨物种 Ks 年代分析显示HPS10II起源约 1.91 亿年前其次是 DUF247I/IIZ起源约 1.50 亿年前而 DUF247I/IIS 出现时间更晚约 0.50 亿年前。4DTv 数值逐步升高也印证该演化时间顺序。结合 ρ 全基因组复制之后的染色体重排事件Wang 等以及共线性特征本研究提出演化模型古老的 Z 位点发生复制产生 S 位点多倍化事件发生之后Ns 亚基因组发生自交不亲和相关基因的选择性丢失图 1。综上本研究获得异源四倍体羊草及其 Ns 基因组供体新麦草的高质量染色体水平基因组。分析结果揭示亚基因组不对称演化羊草 S、Z 位点仅保留在 Xm 亚基因组上且 Z 位点起源更加古老。该研究为通过基因编辑打破自交不亲和、提升种子产量、加快育种进程提供明确靶点。Data Availability StatementThe raw sequencing data, genome assemblies and annotations have been deposited in the National Genomics Data Center (NGDC) under the accession number PRJCA053464 and figshare (https://doi.org/10.6084/m9.figshare.30971629). 羊草Leymus chinensis性染色体基因组--Plant Biotechnology Journal
High-Quality Chromosome-Level Genomes Reveal the Structure and Evolution of the S and Z Self-Incompatibility Loci in Leymus chinensis高质量染色体水平基因组揭示羊草 S 与 Z 自交不亲和位点的结构与演化羊草Leymus chinensis是欧亚草原的优势牧草物种兼具广泛的生态适应性与优良饲草品质Huang 等。但其配子体型自交不亲和SI系统严重制约种子产量延长育种周期。在禾本科植物中自交不亲和由两个复等位、独立遗传的位点 S 与 Z 控制然而该系统被发现数十年后其分子决定因子与调控机制仍尚不明确LundqvistHayman。近期研究表明两个花粉特异性基因DUF247未知功能结构域 247以及一个雌蕊特异性基因HPS10大麦雌蕊特异性基因 10是自交不亲和发挥功能所必需的Kakeda 等Manzanares 等Lian 等Wang 等Rohner 等。尽管羊草已有染色体水平基因组组装版本但 S、Z 位点的基因注释仍不完整Li 等。本研究优化了羊草的基因组组装结果并构建优良育种系 Lc6 的全长转录组用于校正基因模型。同时本研究完成新麦草Psathyrostachys junceaNs 亚基因组供体祖先种的从头染色体级别基因组组装为开展亚基因组演化以及 S、Z 位点起源的比较分析提供基础。优化后的羊草基因组得到两套单倍型总大小 7.96 Gb分别包含 1121、1014 个 contigN50 均大于 40 Mb见补充表。经染色体锚定得到 28 条染色体水平的假分子序列锚定率高于 96%见图 1。总体来看相较于旧版参考基因组更新后的组装版本在连续性与染色体完整度上均得到提升。采用相同组装策略新麦草基因组得到两套单倍型大小分别为 6.33 Gb、6.38 Gbcontig 数目依次为 827、229N50 大于 120 Mb染色体锚定率超过 99%。BUSCO通用单拷贝直系同源基因评估结果表明两份基因组的注释完整度均处于较高水平见补充表、补充图。羊草亚基因组演化以及 S、Z 位点的不对称分布(a) 羊草基因组 Circos 圈图依次展示亚基因组归属I、GC 含量分布II、基因密度III、Gypsy 转座子密度IV、Copia 转座子密度V、两套单倍型之间的共线性区块VI。 (b) 全基因组单倍型比对揭示全基因组水平杂合度。 (c) 羊草与代表麦族物种的系统发育树。橙色线条标注多倍化发生时间物种全称见补充表。 (d) Ks 值分布反映全基因组复制事件与物种分化事件。 (e) 按 Ks 值着色的共线性区块用于表征分化时间。 (f) 利用同源性与共线性鉴定 S、Z 位点。缩写注释Lc羊草Lp多年生黑麦草Ol长雄蕊野生稻。 (g) S、Z 位点的亚基因组不对称分布特征。 (h) 羊草 S、Z 位点起源与分化的推测演化模型。为解析多倍体形成与亚基因组分化的发生顺序本研究选取代表性物种构建麦族系统发育树。比较基因组分析显示羊草与新麦草的 Ns 亚基因组聚为同一分支长穗偃麦草则与小麦 ABD 亚基因组归为一类该结果支持系统发育拓扑结构图 1。Ks 分析检测到 3 个峰0.5Xm 亚基因组在多倍体形成之前约 823 万年前就已经与其 E 基因组祖先发生分化随后在约 635 万年前发生异源四倍化Ns 亚基因组后续在约 336 万年前发生基因丢失图 1。上述演化事件很可能造成羊草 Ns 亚基因组与现存新麦草基因组之间的基因组大小差异。结合同源比对与共线性分析本研究将羊草 S、Z 位点定位至 1Xm、2Xm 染色体图 1同时鉴定到 1 个 HPS 基因HPS10II该基因位于经典 Z 位点区域之外。PacBio HiFi 读段比对与 HiC 互作图谱证实该区域结构完整见补充材料。经过人工基因注释校正DUF247I/II 与 HPS10 蛋白序列呈现清晰的单倍型分化特征Xm 亚基因组中DUF247为雄蕊特异性表达HPS10为雌蕊特异性表达见补充材料。共线性分析表明该位点侧翼基因顺序与大多数禾本科植物保守一致图 1。值得注意的是Ns 亚基因组中并未检测到DUF247与HPS10基因说明发生了演化丢失体现亚基因组不对称分布现象。为探究 S、Z 位点起源本研究从基因家族中提取 DUF247 基因序列。二穗短柄草拥有更多 DUF247IIZ 同源基因提示 Z 位点起源更为古老见补充材料。基于 101 份羊草材料的 DUF247 蛋白序列构建系统发育树划分得到 4 个分支其中 DUF247IIZ 的序列多样性更高见补充材料。跨物种 Ks 年代分析显示HPS10II起源约 1.91 亿年前其次是 DUF247I/IIZ起源约 1.50 亿年前而 DUF247I/IIS 出现时间更晚约 0.50 亿年前。4DTv 数值逐步升高也印证该演化时间顺序。结合 ρ 全基因组复制之后的染色体重排事件Wang 等以及共线性特征本研究提出演化模型古老的 Z 位点发生复制产生 S 位点多倍化事件发生之后Ns 亚基因组发生自交不亲和相关基因的选择性丢失图 1。综上本研究获得异源四倍体羊草及其 Ns 基因组供体新麦草的高质量染色体水平基因组。分析结果揭示亚基因组不对称演化羊草 S、Z 位点仅保留在 Xm 亚基因组上且 Z 位点起源更加古老。该研究为通过基因编辑打破自交不亲和、提升种子产量、加快育种进程提供明确靶点。Data Availability StatementThe raw sequencing data, genome assemblies and annotations have been deposited in the National Genomics Data Center (NGDC) under the accession number PRJCA053464 and figshare (https://doi.org/10.6084/m9.figshare.30971629).