大豆與野生大豆部分同源基因間基因置換分析

郭赫 王希胤

摘? ? 要：以大豆和野生大豆為研究對(duì)象，利用系統(tǒng)發(fā)育分析比較推斷其最近一次加倍事件所產(chǎn)生的同源基因間發(fā)生基因置換的規(guī)模。結(jié)果表明，大豆中有37對(duì)同源基因間發(fā)生了基因置換，野生大豆中有33對(duì)同源基因發(fā)生了基因置換。通過(guò)對(duì)基因置換與基因在染色體上的位置關(guān)系研究發(fā)現(xiàn)，靠近染色體兩端的基因更容易發(fā)生基因置換。

關(guān)鍵詞：大豆;野生大豆;基因置換

文章編號(hào)： 1005-2690（2021）16-0002-03? ? ? ?中國(guó)圖書分類號(hào)： S565.1? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

大豆（Glycine max）是重要的經(jīng)濟(jì)作物和油料作物。大豆經(jīng)歷過(guò)豆科共有的四倍體事件（Legume-common tetraploid，LCT）后又經(jīng)歷過(guò)一次大豆獨(dú)有的四倍體事件（Soybean-specific tetraploid，SST）[1]，是同源四倍體。目前，大豆與野生大豆（Glycine soja）的全基因組測(cè)序工作已經(jīng)完成[2-3]。對(duì)大豆與野生大豆于最近一次全基因組加倍事件產(chǎn)生的同源基因間進(jìn)行比較研究，有利于理解其基因組的進(jìn)化。

全基因組加倍（whole genome duplication，WGD）即多倍化是基因復(fù)制的主要方式之一，植物的進(jìn)化過(guò)程中多倍化是反復(fù)發(fā)生的，多倍化產(chǎn)生的大量重復(fù)基因?yàn)樾鹿δ艿倪M(jìn)化提供了原材料[4]。全基因組加倍后發(fā)生的染色體重組、基因丟失等現(xiàn)象對(duì)基因組結(jié)構(gòu)及功能都造成很大影響[5]。

遺傳重組（genetic recomnnation）作為生物進(jìn)化的主要推動(dòng)力之一，對(duì)DNA序列損傷的修復(fù)和同源序列間信息的傳遞有著重要意義[6]。很多物種多倍化后產(chǎn)生的同源序列之間的同源重組與經(jīng)典的同源片段間重組不同，稱為非正常遺傳重組[7]。單向的一個(gè)基因替換其同源基因的過(guò)程稱為基因置換（gene conversion）[8-9]。

1? ?材料和方法

1.1? ?物種基因組數(shù)據(jù)

豆科植物大豆和野生大豆的全基因序列由公共數(shù)據(jù)庫(kù)NCBI（https：//www.ncbi.nlm.nih.gov/）下載獲得，包括其全基因組DNA（cds）序列、蛋白質(zhì)序列（pep）以及其基因注釋文件（gff3）。

1.2? ?基因共線性推斷

首先，對(duì)大豆和野生大豆進(jìn)行物種內(nèi)和物種間的Blast比對(duì)分析，用以確定基因同源性;然后利用共線性分析軟件ColinearScan鑒定基因是否是共線性基因，要求基因間距離大于50個(gè)基因、顯著性大于1e-10，以確定大豆與野生大豆基因組內(nèi)和基因組間同源基因間的共線性基因信息，然后以野生大豆全基因組基因作為參考，將其基因組內(nèi)的旁系同源基因和大豆之間的直系基因按親緣關(guān)系排列，生成共線性列表，并繪制全基因組聯(lián)合比對(duì)圖譜，目的在于將不同基因內(nèi)及基因組間全基因加倍事件后染色體重組、基因丟失、同源基因在染色體上的分布等現(xiàn)象進(jìn)行直觀的展示。

1.3? ?基因置換推斷

由于大豆所經(jīng)歷的加倍事件較多，大豆與野生大豆分離在大豆獨(dú)有加倍事件之后，因此本研究只統(tǒng)計(jì)最近一次大豆獨(dú)有加倍事件后產(chǎn)生的大豆與野生大豆之間、基因組內(nèi)同源基因的差異。大豆中的一對(duì)旁系同源基因A1、A2以及它們所對(duì)應(yīng)的野生大豆中的直系同源基因B1、B2構(gòu)成同源基因“四聯(lián)子”。

根據(jù)系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，利用Clustalw[10]對(duì)同源基因四聯(lián)子中的基因進(jìn)行多重序列比對(duì)，計(jì)算氨基酸一致性，同時(shí)分別計(jì)算兩兩之間的同義核苷酸置換率（Ks值），比較其Ks值大小，根據(jù)四聯(lián)子中基因的相似性和Ks值的變化判斷其是否發(fā)生基因置換。對(duì)發(fā)生基因置換的四聯(lián)子基因用MEGAx[11]進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育構(gòu)樹，對(duì)其系統(tǒng)發(fā)育樹的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化進(jìn)行研究，從而達(dá)到置換檢驗(yàn)的目的。

2? ?結(jié)果分析

2.1? ?大豆和野生大豆中同源性

以野生大豆全基因組為參考，構(gòu)建與大豆間的共線性基因圖譜（圖1）。圈圖中的第一圈表示野生大豆的20條染色體，基于大豆與野生大豆共同經(jīng)歷的加倍事件，聯(lián)合圖譜展示了豆科和大豆獨(dú)有兩次加倍事件相關(guān)的同源基因的共線性關(guān)系。每一對(duì)同源基因間進(jìn)行連線，不同染色體用不同顏色表示，內(nèi)圈表示最近一次加倍事件產(chǎn)生的同源基因，外圈為較遠(yuǎn)的加倍事件產(chǎn)生的同源基因。由內(nèi)圈的圈圖可以看出，最近一次加

倍的野生大豆與大豆同源基因之間具有較完整的同源對(duì)應(yīng)關(guān)系;越靠近外層的同源結(jié)構(gòu)空白越多，表示同源基因丟失的越多，這是因?yàn)榇蠖菇?jīng)歷的加倍事件次數(shù)較多，較為古老的加倍事件產(chǎn)生大量的重復(fù)基因隨著物種的進(jìn)化而丟失。

通過(guò)對(duì)共線性軟件ColinearScan分析獲得基因同源性片段和共線性列表的分析，分別統(tǒng)計(jì)了大豆與野生大豆基因組內(nèi)、基因組間與SST加倍事件相關(guān)的同源性片段的個(gè)數(shù)和所涉及的同源基因數(shù)（見(jiàn)表1）。對(duì)同源基因的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，大豆中保留的最近一次加倍事件相關(guān)的同源基因數(shù)量相對(duì)野生大豆更多，這可以說(shuō)明大豆的基因保守性更好。

2.2? ?大豆與野生大豆的基因置換

分析大豆與野生大豆分歧后的基因置換規(guī)模，涉及大豆最近一次特異性全基因組加倍事件，根據(jù)共線性分析結(jié)果，得到17 306個(gè)最近一次加倍事件的同源基因四聯(lián)子，每個(gè)四聯(lián)子包括大豆和野生大豆的同源基因。根據(jù)同源基因間的親緣關(guān)系，大豆與野生大豆間由物種分化產(chǎn)生的旁系基因?qū)Φ南嗨菩詰?yīng)高于大豆與野生大豆基因組內(nèi)由加倍事件產(chǎn)生的直系基因?qū)?。但是由于基因置換，旁系基因?qū)χg相似性變得更高。根據(jù)檢驗(yàn)同源基因四聯(lián)子之間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)37對(duì)大豆同源基因和33對(duì)野生大豆同源基因之間發(fā)生了基因置換。因此，大豆中發(fā)生基因置換的基因數(shù)量多于野生大豆。

2.3? ?基因置換發(fā)生的位置分析

為了分析基因置換的發(fā)生與基因在染色體上物理位置的關(guān)系，分別將大豆與野生大豆發(fā)生基因置換的基因?qū)?yīng)到其所在染色體的物理位置，并將結(jié)果繪制了圈圖進(jìn)行展示（見(jiàn)圖2）。大豆發(fā)生基因置換的基因中有50%的基因位于靠近兩端10%的位置，86.46%的基因位于染色體兩端20%的位置，98.69%的基因位于靠近兩端30%的位置;野生大豆發(fā)生基因置換的基因中有48.48%的基因位于靠近兩端10%的位置，81.81%的基因位于染色體兩端20%的位置，98.48%的基因位于靠近兩端30%的位置。這可以表明，靠近染色體兩端的基因更容易發(fā)生基因置換。

3? ?討論與結(jié)論

植物基因組在進(jìn)化過(guò)程中經(jīng)過(guò)一次或多次全基因組加倍事件[12- 13]。通過(guò)對(duì)禾本科物種研究發(fā)現(xiàn)，基因置換等非正常遺傳重組的發(fā)生可以持續(xù)數(shù)千萬(wàn)年，進(jìn)而導(dǎo)致水稻、高粱的同源染色體之間形成一種特殊的結(jié)構(gòu)，在高粱和水稻基因組中的很多基因可能由其同源基因置換而來(lái)。

研究在大豆與野生大豆分離后的同源基因中分別發(fā)現(xiàn)37對(duì)和33對(duì)同源基因發(fā)生了基因置換。對(duì)大豆與野生大豆發(fā)生基因置換的同源基因?qū)υ谌旧w上的位置統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，有98%以上的基因置換發(fā)生在距離染色體兩端30%的位置，這一現(xiàn)象表明靠近染色體兩端的基因更容易發(fā)生基因置換現(xiàn)象，這與之前的研究結(jié)果相符合[14-15]。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是由于位于染色體兩端的基因往往保留有更好的共線性，保留的同源基因數(shù)量更多，因此這個(gè)區(qū)域發(fā)生基因置換的概率更大[16]。

對(duì)大豆與野生大豆分離后基因置換的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，在大豆與野生大豆分離后，由最后一次加倍事件形成同源四倍體基因組中的非正常遺傳重組等現(xiàn)象還在繼續(xù)發(fā)生。這一結(jié)果進(jìn)一步表明在全基因組加倍事件后非正常遺傳重組等現(xiàn)象的影響非常持久[17-19]。

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（編輯：郝煥霞）