亚基因组分析

亚基因组分析（英文：Subgenome analysis）是针对异源多倍体生物（特别是古多倍体）基因组的一种专门研究方法，其核心在于区分、鉴定和比较组成该多倍体基因组的各个祖先基因组组分（即亚基因组），并研究它们在多倍化后的协同进化命运。该分析是理解多倍体基因组结构、功能分化与进化动态的关键。

概述

在异源多倍化事件中，两个或多个二倍体祖先物种的基因组合并，随后可能经历一次全基因组复制。合并后的每个祖先基因组组分被称为一个“亚基因组”。例如，在异源四倍体（AABB）中，A和B即为两个亚基因组。亚基因组分析旨在：

1. 分辨亚基因组：将多倍体中的基因、染色体区块精确地归类到其起源的亚基因组（如A或B）。

2. 比较亚基因组进化：分析不同亚基因组在基因含量、序列进化速率、表观遗传修饰和基因表达模式上的差异。

3. 探究亚基因组优势：识别是否存在优势亚基因组，即其中一个亚基因组的基因被更多地保留、更稳定地表达或受到更强的功能约束。

核心分析内容与方法

1. 亚基因组分辨与共线性分析

• 原理：基于与现存或推断的二倍体近缘物种的基因组进行共线性比对。

• 方法：

  • 将多倍体基因组序列与多个可能的二倍体祖先（或其近缘种）的基因组进行比较。

  • 通过同源基因对的系统发育关系、序列相似性和在染色体上的共线性区块，将多倍体中的基因锚定到不同的亚基因组上。

  • 对于缺少现存近缘二倍体物种的情况（如许多古多倍体），需通过更复杂的算法推断亚基因组结构。

2. 基因含量与丢失分析

• 目标：量化多倍化后，不同亚基因组上同源基因对（Homeologs）的丢失/保留模式。

• 发现：基因丢失常呈非随机性。通常存在一个“优势亚基因组”，其基因丢失率显著低于另一“劣势亚基因组”。优势亚基因组上的基因往往受到更强的纯化选择。

3. 序列进化分析

• 目标：比较不同亚基因组上保留的同源基因对的进化速率。

• 指标：计算非同义替换率与同义替换率的比值（Ka/Ks 或 dN/dS）。

• 典型发现：劣势亚基因组上的基因拷贝可能积累更多的有害突变（更高的Ka/Ks），或表现出更高的同义替换率（Ks），表明其功能约束更松。

4. 基因表达与调控分析

• 目标：比较不同亚基因组上同源基因对的表达水平、组织特异性及对刺激的响应。

• 方法：使用RNA-seq数据进行同源基因特异性表达分析。

• 典型模式：常观察到表达优势，即来自优势亚基因组的同源拷贝在更多组织或条件下表达水平更高。这常与顺式调控元件的差异和表观遗传标记（如DNA甲基化、组蛋白修饰）的不同相关。

5. 三维基因组与染色质互作分析

• 前沿领域：研究亚基因组在细胞核内的空间排布，以及同源染色体之间的互作模式（如是否形成配对），以理解亚基因组间的协同调控。

生物学意义与发现

1. 揭示多倍体基因组的二倍体化进程：亚基因组分析清晰地展示了WGD后，基因组如何通过不对称的基因丢失和功能分化，从“多倍体”状态向“二倍体化”状态演化。

2. 解析多倍体适应性优势的分子基础：优势亚基因组可能保留了更多关键通路的核心基因，其稳定的高表达为多倍体提供了直接的适应性优势。同源基因的表达分化则可能增加了调控的灵活性和环境的适应性。

3. 指导多倍体作物育种：了解哪个亚基因组贡献了重要的农艺性状基因（如抗病、高产），可以指导育种家精准选择或编辑特定亚基因组的等位基因，提高育种效率。

4. 为基因组组装与注释提供框架：对于复杂多倍体基因组，先进行亚基因组分辨，能极大提高组装和注释的准确性和可解性。

经典研究模型

• 普通小麦（异源六倍体，AABBDD）：分析A、B、D三个亚基因组对籽粒品质、抗逆性等性状的贡献。

• 甘蓝型油菜（异源四倍体，AACC）：研究A和C亚基因组的互作与基因表达调控。

• 非洲爪蟾（异源四倍体）：比较L和S亚基因组在发育基因表达与进化上的差异。

• 棉花（异源四倍体，AADD）：剖析A和D亚基因组在纤维发育中的作用。

参考文献

1. Session, A. M., et al. (2016). Genome evolution in the allotetraploid frog Xenopus laevis. Nature, 538, 336–343. （通过亚基因组分析揭示了非洲爪蟾L和S亚基因组的进化不对称性）

2. Cheng, F., et al. (2016). Subgenome parallel selection is associated with morphotype diversification and convergent crop domestication in Brassica rapa and Brassica oleracea. Nature Genetics, 48(10), 1215–1222. （研究了芸薹属作物亚基因组平行选择与性状驯化）

3. Bird, K. A., et al. (2018). Replaying the evolutionary tape to investigate subgenome dominance in allopolyploid Brassica napus. Current Biology, 28(16), 2613-2619. （通过合成多倍体实验重现亚基因组优势现象）

4. Edger, P. P., et al. (2017). Subgenome dominance in an interspecific hybrid, synthetic allopolyploid, and a 140-year-old naturally established neo-allopolyploid monkeyflower. The Plant Cell, 29(9), 2150-2167. （追踪了新形成到古老多倍体中亚基因组优势的建立过程）

5. Zhang, Z., et al. (2015). The B. napus genome: a cornerstone for research and improvement of rapeseed. In: The Brassica napus Genome. Springer. （综述了甘蓝型油菜基因组研究，包含亚基因组分析）