华中农业大学博士生第一作者在《PNAS》发表研究论文

近日，华中农业大学棉花团队王茂军教授课题组联合中国农科院棉花研究所，在《美国国家科学院院刊》（PNAS）发表题为Regulatory divergence of homoeologs underlies network optimization for fiber improvement in domesticated cotton的研究论文。该论文系统解析了陆地棉驯化过程中亚基因组同源基因表达偏向（homoeologous expression bias, HEB）重塑的顺式调控机制，建立了通过重塑调控不对称来优化性状形成的基因网络的理论框架，并阐明了表达偏向在异源多倍体作物精准育种中的利用价值。

多倍化是植物演化的普遍现象，棉花、油菜、小麦等世界主要作物均为多倍体。异源四倍体陆地棉（Gossypium hirsutum）由非洲A基因组与美洲D基因组祖先杂交加倍形成，因此保留了大量成对的同源基因（homoeologs）。这种基因重复为性状演化创新提供了原材料，也带来了新的难题：两套基因组如何协同表达才能塑造优良的纤维性状？在人类数千年的驯化选择中，同源基因的表达模式经历了怎样的改变？对于这些问题，人们仍缺乏系统认识。

为了回答上述问题，研究团队收集了161份半野生棉和376份栽培棉材料，涵盖从野生种到现代品种的七个主要地理种系，并整合全基因组重测序数据和泛基因组，以及覆盖纤维伸长至次生壁加厚5个发育阶段（开花后4、8、12、16、20天）的2589套转录组数据，构建了一套全面的棉花纤维发育转录调控数据集。

研究首先阐明了驯化对同源基因表达及其协作方式的影响。结果显示，驯化显著增强了亚基因组同源基因的表达偏向性，且偏向程度随纤维发育进程动态变化，反映出两套亚基因组在纤维发育中可能存在分工。与半野生棉相比，栽培棉中纤维基因的共表达关系整体增强，网络结构更趋局部化，原本共处同一模块的同源基因更多地分处于不同模块，且表达偏向的改变与共表达关系的重构密切相关。转录因子TCP15即是一例，它在两个群体中均表现出Dt同源拷贝的表达偏向，且这一偏向在栽培棉中进一步增强；同时，其高表达时期集中于纤维伸长期，共表达基因也由伸长与次生壁合成两类转为以伸长相关基因为主（图1）。上述结果表明，驯化在增强亚基因组表达偏向的同时，也推动共表达网络向阶段特异、功能特化的方向重组。

图1. 驯化重塑同源基因表达偏向及纤维发育调控网络

这些表达偏向改变的遗传基础是什么，是否受到驯化选择？围绕这一问题，研究鉴定了影响同源拷贝相对表达比例的遗传位点（bias-eQTL）。这类位点显著富集于开放染色质区域，且较常规eQTL表现出更强的选择信号，提示其是驯化选择的重要对象。整合bias-eQTL与纤维品质全基因组关联分析（GWAS）信号，共鉴定到77个共定位基因，其中46.7%在栽培棉中表达偏向显著增强，偏向减弱的仅占26.1%，相关有利等位基因的频率在驯化后普遍升高（图2）。在纤维品质相关的基因网络中，74.5%的关键枢纽（hub）基因受bias-eQTL调控，且栽培棉中这一比例进一步提高，表明驯化选择的作用已由单个基因延伸至纤维发育调控网络的关键节点。这些结果揭示了亚基因组表达偏向的遗传基础，表明驯化选择促进了有利调控变异的积累，并通过纤维品质相关基因及网络枢纽推动纤维品质改良，为异源多倍体作物亚基因组的协同遗传改良提供了理论依据。

图2. bias-eQTL受驯化选择并与纤维长度遗传位点共定位

转座子插入是基因组演化的重要驱动力。研究借助图形泛基因组在群体水平鉴定了棉花群体的转座子插入多态性（TIP），发现TIP在表达偏向发生改变的同源基因周围显著富集。其中，A06染色体上一段 4938 bp的LTR插入与纤维长度显著关联，并与纤维起始和伸长关键基因SUS4的表达相关，其频率由半野生棉的0.48升至栽培棉的0.92。上述结果表明，转座元件可通过改变局部顺式调控环境，为亚基因组协同调控和纤维性状改良提供新的遗传变异来源。

综上，该研究提出了驯化通过重塑表达偏向、优化网络模块来改良复杂性状的机制框架，并揭示了其潜在的育种应用价值（图3）。具体而言，bias-eQTL和TIP等亚基因组调控特征可纳入基因组选择模型，顺式调控元件编辑则有望精准调节同源拷贝的表达剂量与时序；此外，半野生种系保留的丰富调控变异可作为拓宽栽培种遗传多样性的资源储备。该研究将多倍体作物驯化的认识从亚基因组选择拓展至同源基因网络协同调控，为发掘异源多倍体特有的遗传调控潜力提供了新思路。

图3. 驯化重塑同源基因表达偏向与基因网络的机制模式图

华中农业大学王茂军教授、中国农科院棉花研究所刘方研究员、美国爱荷华州立大学 Jonathan F. Wendel 教授为论文的通讯作者，博士生戚正阳（已毕业，现为巴黎萨克雷大学IPS2博士后）、杨静蕾和中棉所许艳超副研究员为论文的共同第一作者。华中农业大学张献龙院士、张泽宇副教授等参与了该项研究。该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划项目、新疆维吾尔自治区科技项目的资助。

【英文摘要】Polyploidy is prominent in plant evolution and in many of the world’s most important crops, yet how domestication reshapes the regulation of duplicated genes (homoeologs) to generate superior agronomic traits remains incompletely understood. Here, we integrate population genomics, stage-resolved transcriptomics, expression quantitative trait locus (eQTL) mapping, and coexpression network analysis across 161 semiwild and 376 cultivated accessions of allotetraploid cotton (Gossypium hirsutum) to dissect the regulatory consequences of domestication. We show that domestication increases both the frequency and magnitude of homoeologous expression bias (HEB), with biased pairs preferentially organized into trait-associated, functionally specialized coexpression network modules. Bias-eQTL mapping identifies HEB-associated cis-regulatory variants that are enriched in open chromatin regions. Bayesian colocalization analysis further reveals that 92 bias-eQTLs colocalize with fiber quality-related genetic loci, where favorable alleles exhibit substantial frequency increases during domestication. Collectively, this work provides a mechanistic framework linking selection-driven regulatory asymmetry to coexpression network optimization in polyploids and highlights expression bias as a promising target for precision breeding in crops.

链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2523784123