解析大麦泛转录组：揭示基因型依赖的转录复杂性奥秘

时间：2025年2月4日

来源：Nature Genetics

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在生物学研究中，了解基因组多样性如何影响转录过程至关重要。为探究此，研究人员构建大麦泛转录组。他们发现转录本存在多种分类，且转录丰度受多种因素影响。该研究为解析大麦遗传机制提供依据，助力作物遗传改良。

在生命科学领域，作物的遗传奥秘一直是科研人员探索的重要方向。大麦作为一种在全球食品、饲料和饮品行业都有着重要地位的谷类作物，其适应能力强，为众多生物过程和产业提供了基础。然而，尽管此前的研究已经揭示了大麦基因组的一些遗传变异信息，但对于这些基因组多样性所带来的更广泛后果，尤其是在转录层面的影响，却知之甚少。“单参考偏差” 问题也一直困扰着科研人员，传统上使用单一参考基因组进行转录组分析，可能无法全面准确地反映转录本的真实情况。为了深入探究这些问题，来自国际大麦中心（International Barley Hub，IBH）/ 詹姆斯・赫顿研究所（James Hutton Institute，JHI）等多个研究机构的研究人员，开展了一项关于大麦泛转录组的研究。该研究成果发表在《Nature Genetics》杂志上，为我们理解大麦的遗传机制带来了新的曙光。

研究人员在此次研究中，运用了多种关键技术方法。首先是 RNA 测序（RNA-seq）和 PacBio Iso-seq 技术，用于获取不同组织的转录组数据。接着，通过构建基因型特异性参考转录数据集（GsRTDs），有效避免了单参考偏差问题。在此基础上，利用 Pan-genome Construction and Population Structure Variation Calling Pipeline（PSVCP）构建线性泛基因组框架，并整合 GsRTDs 创建泛转录组（PanBaRT20）。此外，还使用了加权相关网络分析（WGCNA）来研究基因共表达网络。

下面来详细看看研究结果：

构建大麦泛转录组：研究人员对代表大麦泛基因组 V1.0 的 20 个基因型的 5 种不同组织进行 RNA 测序和 PacBio Iso-seq。结果发现，“组织” 是转录本多样性的主要驱动因素。为避免单参考偏差，他们构建了 GsRTDs，其基因数量平均为 38,400 个，每个基因平均有 3.22 个转录本，比传统基因组注释更高。之后，研究人员整合 20 个参考大麦泛基因组构建线性泛基因组，并将 GsRTDs 的转录本映射到该框架上，创建了 PanBaRT20。PanBaRT20 包含 79,600 个基因和 582,000 个转录本，每个基因的转录本多样性达到 7.3 个。同时，根据基因在不同基因型中的出现情况，将基因分为核心基因、壳基因和云基因。核心基因主要与普遍的生物学功能相关，而壳基因和云基因则主要涉及生物和非生物胁迫响应123。
GsRTDs 和 PanBaRT20 在转录组分析中的应用：研究表明，不同参考转录组会影响 RNA-seq 数据集的量化准确性。GsRTDs 在 RNA-seq 读段量化中表现最佳，PanBaRT20 次之，均优于单一常见参考转录组。此外，泛转录组数据还可用于对 20 个泛基因组组装进行基于证据的重新注释，增强了 V2.0 泛基因组的整体价值456。
转录丰度变化的驱动因素：PanBaRT20 显示每个基因的转录本数量显著增加，这与非冗余剪接位点的增加有关。多种因素会影响转录丰度，如可变剪接、基因存在 / 缺失（PAV）、拷贝数变异（CNV）、染色体倒位以及转录因子结合位点（TFBS）的变化等。例如，在某些基因中，可变剪接导致产生独特的基因型特异性转录本；一些基因的转录丰度与 CNV 相关；染色体 7H 上的 141 Mb 倒位影响了基因表达，且该区域与谷物相关性状有关；TFBS 的相似性对低变异系数（CV）基因的表达一致性有重要影响789。
比较基因表达和基因网络分析：通过 WGCNA 分析，研究人员构建了 20 个基因型特异性共表达网络，共鉴定出 738 个模块，并将其分为 6 个主要社区。模块与组织及相关生物过程存在明显关联，且核心直系同源基因在不同基因型间存在广泛的微调。同时，发现一些基因在不同基因型中的社区关联存在差异，表明存在功能多样化和基因型特异性转录反应101112。
大麦基因组参考品种 Morex 的基因表达图谱：研究人员利用公开的 Morex RNA-seq 数据集构建了新的 RTD（Mx-RTD），并与 GsRTD_Morex合并。MDS 图显示组织和器官是转录变异的主要驱动因素，共表达分析揭示了 20 个独特的基因簇，具有组织、器官和条件特异性。此外，PanBaRT20 在报告基因型间转录本丰度变异方面具有优势，可与 Mx-RTD 结合使用以探索更广泛的组织 / 处理效应。研究人员还提供了 “MorexGeneAtlas”，方便研究人员进行转录本丰度分析1314。
探索赤霉素 2 - 氧化酶基因家族：研究人员以赤霉素 2 - 氧化酶（GA2ox）基因家族为例，展示了 PanBaRT20 和 MorexGeneAtlas 的价值。他们鉴定出 10 个 GA2ox 基因，其中 GA2ox7 和 GA2ox3 表达差异显著。通过对 RGT Planet 品种的敲除突变体进行田间试验，发现 ga2ox7 突变体产量、千粒重和淀粉含量降低，ga2ox3 突变体在水涝条件下农艺性能下降。这表明 GA2ox7 过表达可能提高产量和谷物品质，GA2ox3 过表达可能改善在挑战性气候条件下的农艺性能151617。

在研究结论与讨论部分，该研究通过构建大麦泛转录组和基因型特异性参考转录数据集，为解释物种范围内基因型多样性的转录组数据提供了有力工具。研究揭示了转录复杂性的多个层面，以及基因组变异对转录丰度的复杂影响，这些影响具有基因型依赖性。网络分析表明，核心转录组中基因的差异表达体现了功能冗余和内在弹性。此外，研究人员提供的大麦基因组参考品种 Morex 的 “基因表达图谱” 和 PanBaRT20，为生物学研究提供了重要资源，有助于深入探索大麦的遗传机制，推动作物遗传改良工作的开展，在农业领域具有重要的理论和实践意义。