科研 | Nature：自然选择如何影响水稻基因的表达？
编译：秦时明月，编辑：十九、江舜尧。
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基因表达是组织表型的基础，但影响基因表达的自然选择性质及其在适应力进化中的作用仍不清楚。在本篇文章中，纽约大学的研究人员分析了水稻(Oryza sativa)在不同环境下的基因表达情况，并使用表型选择分析估计了15000多个转录本自然选择的类型和强度。大多数转录本的变异在水分充足的稻田里表现为中性或极弱的稳定选择，但在干旱条件下自然选择压力更为强烈。总的来说，更多的转录本是条件中性的，而不是拮抗多效性，而表达水平较低、包含随机干扰和可塑性较高的转录本受到了更强烈的选择作用。本研究发现，基因表达的选择强度与顺式调节和细胞网络连接水平呈弱负相关。另外，多元分析表明，自然选择作用于光合作用基因的表达，但在干旱条件下，选择的效果受到遗传限制。并且，干旱胁迫使水稻选择了早花并提高了OsMADS18的表达水平。OsMADS18编码一个MADS-box转录因子，是控制水稻早花的已知调节因子，并在本研究中被标记为干旱逃逸基因。本研究对自然选择强度能力的估计，为更好了解环境选择如何影响核心基因行为提供了重要参考。
论文ID
原名：The strength and pattern of natural selection on gene expression in rice
译名：水稻基因表达自然选择的强度和模式
期刊：Nature
IF：43.07
发表时间：2020.2
通讯作者：Michael D. Purugganan
通讯作者单位：纽约大学生物系基因组学与系统生物学中心&纽约大学阿布扎比研究所基因组学和系统生物学中心
DOI号：https://doi.org/10.1038/s41586-020-1997-2
实验设计
本研究的植物材料为136份籼稻品种和84份粳稻品种，包括地方品种和育种品系，以及另外两个重复检查组（IR64和Sahod Ulan 1）。将每种水稻材料播种后（DAS）17天的幼苗插入两个不同的试验田，第一个作为潮湿的正常稻田，第二个为干旱胁迫处理的稻田。干旱试验田在53、64和91 DAS时复水，以使植物在整个季节的剩余时间里经历间歇性干旱。研究人员进行了一系列高级性状的测量，包括叶面积、每株植物叶片的叶绿素浓度、开花时间等，并在收获之后对饱满、部分饱满和空瘪的水稻种子进行分类和计数。测序工作在50 DAS时进行，首先对叶片取样，然后进行转录组测序。通过方差分析对表达量进行处理以划分表型变异。接下来，研究人员对转录本进行了富集分析，并对个体材料进行了单因素表型选择分析，以确定籼稻和粳稻群体在两种田间环境下的基因表达选择强度，然后对不同群体进行了多因素表型选择分析，并通过计算表达水平、随机干扰、组织特异性指数值和多态性的协变量确定了影响基因表达选择强度的因素。之后，研究人员通过大量计算确定了适应力与基因表达随机性与可塑性之间的关系、网络效应对基因表达选择强度的影响、基于选择强度的基因本体生物学过程排序、与高级性状相关的转录本等。然后，研究人员在公用数据库中下载这些材料的DNA序列，并进行了基于参考基因组的DNA序列比对、SNP挖掘、结合转录组数据进行短期表型进化的G矩阵估计与预测，以及全基因组关联分析。
结果
该研究首先评估了种植在水分充足的稻田和施加间歇性干旱的稻田中的粳、籼两个水稻群体的转录组变异(图1a)。研究人员共检测到15635个广泛表达的转录本水平的遗传变异（图1b），并使用开花率和生殖力来考虑植株对环境的适应力(图1a)，然后计算了总选择压力以及单因素线性(S)和二元(C)选择差异，这些差异分别基于不同表型和适应力之间的关系，并用来估计定向选择和稳定选择或破坏性选择。
在水分充足的条件下，环境对基因表达的选择压力较弱。整个转录组的选择强度的中位数为0.035，这表明对于大多数基因来说，表达的变化几乎是中性的(图1c)。其中，定向选择偏向于更强和更普遍的正向选择，而不是负向选择。然而，在Bonferroni校正后，无论是S还是C，转录本水平与适应力都没有显著差异。这表明，在微进化时间尺度上，基因表达的变异几乎是中性的，或者表现出非常弱的稳定性选择。这与在更大的进化时间尺度上更强的、定向的和稳定的选择作用形成了对比。
干旱条件下的自然选择压力比水分充足条件下更强 (图1c)。虽然没有任何一个转录本的选择强度超过了Bonferroni阈值，但S和C在干旱条件下表现出更极端的值，这表明干旱诱导的自然选择强度和模式都发生了变化 (图1d，e)。研究人员检测了环境变化如何影响基因表达的选择压力，发现6个转录本保持拮抗多效性，而443个转录本保持条件中性的模式(图1f)。与仅基于随机性的预期相比，在该研究的条件下，条件中性似乎比拮抗多效性更为常见。这一结果表明植物在控制基因表达方面普遍缺乏权衡，这也解释了为何在现代水稻抗旱育种中，总是会带来不同程度的产量损失。
为了确定影响基因表达微进化率变化的因素，研究人员对影响表达差异宏观进化率的因素进行了部分相关性分析。结果显示，相对表达水平和随机表达干扰与选择强度呈负相关(图2a，b)，表明在某种程度上，自然选择改善了高水平表达基因的表达变异和转录中高随机性发生的频率。然而，具有较高的全基因组表达随机性频率的品种往往具有更低的繁殖力(图2c)。选择强度与组织特异性呈正相关(图2a，b)，与表达可塑性的繁殖力呈正相关(图2a)。这与先前的研究一致，即组织特异性可以最小化对选择多效性的限制，而表达可塑性可以影响自然选择的效果。在干旱条件下能够诱导更多基因表达的水稻品种往往具有更强的环境适应能力，这也说明了可塑性的重要性(图2d)。
基因表达被与顺式调控元件相互作用的转录因子网络调节。在细胞调控网络中，高度联结的转录本应该由更多的转录因子控制，并且能够减少表达变异对适应力的影响，这有助于增强基因表达的稳健性。支持这一假说的是，适应力与具有较高连通性的基因的表达、已知顺式调控元件和转录因子的数量的相关性较小(图2e，f)。
因为交互式的基因网络可能抑制了表型选择在基因表达上的强度，研究人员估计了线性和二元选择的梯度，并利用这两个梯度共同衡量了试验中正向选择的强度和模式。结果表明，二元选择一般较弱，但PC (principal component) 7在水分充足的条件下表现出显著的正向选择。在干旱条件下，PC6表现为对开花率的正向选择，但对于其整个水稻生殖期的适应力来说，这一点微乎其微(图2g)。此外，在干旱条件下，环境对PC4的繁殖力的自然选择是正向的，而对开花率的选择则相反(图2g)。另外，尽管在干旱条件下往往具有更强的环境选择作用，但由于基因群之间的遗传相关性产生的限制，基因表达对胁迫的进化反应却很弱(图2h)。
基因表达可能是通过调节物候、形态或生理性状来影响植株适应力。为了验证这一假设，本研究测量了其中三个性状：开花时间，叶面积和叶绿素浓度(图3a)。结果表明，水分充足的条件对开花期是稳定选择压力，对叶面积是正向选择压力。而干旱条件下，植株选择较早开花，并且叶面积和叶绿素浓度受到了繁殖力的正向选择(图3a)。在多因素分析中，与转化和光合作用相关基因的GO富集分类在主成分上表现出负荷值富集。此外，几个与光合作用相关的转录本与叶面积、叶绿素含量和适应力相关(图3b)，表明它们的表达可能通过促进生长势来增加适应力。
该研究还根据单因素分析中选择强度的中值对生物进程进行了排序。结果表明，在水分充足条件下，与生长和防御相关的基因受到了相对较强的选择压力，而在干旱条件下，与失水反应、生长和开花相关的基因受到了较强的选择压力(图4)，其中开花时间是干旱条件下受到选择压力最强的性状。有趣的是，只有一个编码MADS-box转录因子的基因OsMADS18的表达经过Bonferroni校正后，被选为与开花率相关的基因(图3b)。OsMADS18的表达水平升高与早花密切相关，这在之前的研究中已经被验证。此外，该基因位于控制水稻干旱条件下开花和产量的主效数量性状位点(QTL)上。在粳稻群体中，该基因也处于干旱条件下开花率的较强选择压力下，表明OsMADS18是一个重要的干旱逃逸基因。
为了确定与适应力相关基因的遗传体系，研究人员进行了全基因组关联分析(GWAS)，使用179634个随机抽样的单核苷酸多态性位点(SNP)定位了籼稻群体中具有显著选择差异或梯度的转录本和表达主成分的表达QTL(eQTLs)。经Bonferroni校正后，未观察到显著的顺式eQTLs。然而，在干旱诱导的选择压力下，有3个转录本出现了反式eQTLs，表明反式作用位点在适应力相关基因的表达变异中起着关键作用。此外，在与适应力相关最强烈的前0.5%的SNP中，研究人员观察到在这些SNP周围100kb区域内没有富集具有高度选择差异的基因。这表明，虽然适应力对特定基因的表达可能有很强的选择压力，但实际上它是一种由多基因控制的性状。
结论
基因表达是植物发育所必需的基础分子机制。先前的一些研究侧重于跨物种的长期的转录组进化分析；而本研究使用的表型选择分析方法表明，探究整个基因组中单个基因受到的自然选择的强度和模式是可行的。然而，本研究也有局限性，即该研究是在叶片基因即时表达的基础上来考察选择压力，也就是说，如果可以检测到在不同组织和发育时间点，自然选择是否会有不同的强度与模式，那么可以使整个试验结果更加精密。此外，检测更多与植物相关的环境选择压力可能会使我们进一步了解基因表达是如何进化的。总体来说，本研究为通过调控基因表达来驱动适应力进化的内在和外在因素的剖析开辟了可能性，并为分子和组织层面上的适应力作用提供了关键联系。
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