文献集锦 | 黄瓜重组多组学图谱揭示其CO形成以及杂交特异性分化基因组/表观遗传特征
中国农业科学院深圳农业基因组所与中国农业科学院蔬菜与花卉研究所联合通讯，在Plant Physiology上发表了研究成果，基于多组学测序分析发现杂交种间CO事件的差异可以部分归因于基因组和表观遗传特征，并与特定DSB热点和杂合SVs显著相关。
文章题目
Comprehensive dissection of meiotic DNA double-strand breaks and crossovers in cucumber
第一作者：Yanling Wang, Zhaonian Dong
通讯作者：Sanwen Huang, Xueyong Yang
通讯单位：中国农业科学院深圳农业基因组所与中国农业科学院蔬菜与花卉研究所联合通讯
杂志：Plant Physiology
影响因子：8.972/Q1
文章链接：
https://doi.org/10.1093/plphys/kiad432
FAOSTAT数据库：
http://www.fao.org/faostat/en/
研究背景
现代作物品种由于在育种过程中的性状选择而表现出增强的形态和农艺特征，选择合适的亲本组合是育种的第一步，最大化遗传变异和整合优势基因型是亲本选择的重要内容。然而，对引入不良连锁阻力和破坏有益基因组合的担忧可能会限制优异位基因在植物育种中的应用。因此，更深入地了解影响减数分裂重组和杂种特异性分化的关键因素，将有助于植物育种家和遗传学家选择合适的亲本组合，并在目标基因组区域操纵重组事件。
减数分裂重组发生在DNA双链断裂(DSBs)形成之后，这一过程是由拓扑异构酶样蛋白SPORULATION 11(SPO11)催化的，这些DSBs由重组酶中断减数分裂DMC1和RAD51修复，DSB末端的处理导致重组交换(CO)形成或非相互基因转换 。全基因组的CO保证现象保证了每对同源染色体至少有1个CO的存在，并且CO稳态的调节产生了个体间稳定的CO数量；此外，CO的存在会抑制附近另一个CO的出现，这一过程被称为CO干扰，CO的形成与序列多态性之间的关系是复杂的。
同源染色体之间的结构变异(SVs)可以抑制CO的形成，而CO的局部分布与多态性水平升高有关。不同的杂交种表现出不同的减数分裂重组现象，但这些差异并不完全是由于不同的多态性水平，这可能部分解释了种质间可遗传表观/遗传状态的差异。
技术方案
基因组重测序、重组酶/组蛋白免疫共沉淀测序、染色质开放性测序、全基因组甲基化和转录组联合分析
研究意义
研究结果揭示了黄瓜CO形成和杂交特异性分化的基因组/表观遗传特征，并强调了亲本遗传的表观遗传标记对子代CO分布和变化的影响，为亲本选择如何在表观遗传水平上驱动杂交特异性COs的形成提供了线索，也为黄瓜等作物/植物操纵目标基因组区域的重组事件和改良育种提供了理论支持。
▲黄瓜减数分裂重组形成的多组学分析实验设计
为了绘制黄瓜CO图谱、获取CO形成过程中的表观遗传和转录信息，研究人员构建了2个F2群体，并从相应父本的减数分裂组织中生成了新的多组数据集。将黄瓜材料划分为4个亚群：印度亚群、西双版纳亚群、欧亚亚群和东亚亚群；为了增加后代序列多态性，将半野生西双版纳黄瓜品种Cuc80与栽培品种9930或Cuc37作为共享母本进行杂交。通过自花授粉得到2个F2群体，分别鉴定出2,585和2,663个COs，总数在4~22之间，每条染色体每次减数分裂的平均CO数分别为0.92和0.99。CO频率不呈泊松分布，表明存在CO干扰。不同染色体上CO数差异显著，在两个群体中，每条染色体的平均CO数与染色体长度成比例增加。
▲黄瓜不同基因组成分中CO的富集
为了评估CO分布，研究人员以更高的分辨率对CO进行富集分析，发现近30%的COs位于基因body区，超过93%的COs位于基因或其10-kb的侧翼基因间区，CO富集模式在不同基因组组分中有所不同，但在杂交种之间是保守的。研究者们进行了排列试验，以评估这些区域内CO富集的重要性，发现在黄瓜中CO的形成倾向于远离CDSs和内含子。
为了探索CO相关基因的功能，研究人员对高分辨率CO区间内的基因进行了GO富集分析，发现两个种群中CO重叠基因在参与DNA/RNA生物合成和转录调控的GO terms中显著富集；距离CO 10kb的区域被称作“CO cold regions”，在CO区间和CO cold regions之间没有显著富集的GO项。这些结果表明，CO事件往往发生在具有特定功能的基因周围。
▲黄瓜种群中CO的比较
而在较小尺度(bin size=50kb)上，CO相关系数降至0.18，表明两个种群之间存在小尺度的CO差异，还发现2个群体间存在136个显著差异重组区；此外，研究人员在两个种群中确定了72个CO热点，其中3个在两个种群之间重叠；将unique热点定义为仅在一个种群中检测到且在其他种群中的重组率低于平均水平的热点，研究在两个群体中分别鉴定出19个和25个unique热点。差异重组区和unique CO热点在黄瓜染色体中不均匀分布。
▲CO在SV附近受到抑制，但与SNP密度呈正相关
研究者们检测了COs相对于SVs的富集程度，双亲本变异包括倒置、缺失、插入和易位，结果表明亲本中一方2585个COs中有227个与SVs重叠，另一方的2663个COs中有324个与SVs重叠，其中24个跨越了预测的着丝粒。进一步分析发现，无论何种SV类型，高分辨率的COs在杂合SV中均被显著抑制。此外，COs与SVs重叠的时间间隔远长于总COs的时间间隔，说明实际COs与SVs重叠的比例远低于观测值。开花位点T(CsFT)上游2个SVs的存在增加了CsFT的转录，缩短了黄瓜的开花时间，本研究使用的3个亲本品种具有不同的CsFT基因型：长-2型为晚花种质，短-1型和短-2型为早花种质。研究发现在长-2型和短-1型这两个群体中都没有检测到跨越CsFT位点的CO，但在短2型中存在，即CO的形成在SVs内受到抑制，而在周围区域则升高。
▲黄瓜减数分裂中减数分裂CO与多组信号的全基因组关联
为了检验黄瓜中CO频率和多组数据之间的关系，研究人员进行了可视化并计算了成对相关系数，发现DNA甲基化与CO频率呈负相关；还观察到CO速率与CsRAD51A结合、H3K4me3修饰、开放染色质、转录活性或基因密度之间的正相关；然而，CO与SNPs或重复密度之间没有明显的相关性。这些发现概述了CO2与黄瓜多组信息之间的相关性，包括表观遗传标记、转录活性和基因组特征。
▲黄瓜减数分裂DSB热点的基因组定位注释和基序分析
在这两个自交系中，大多数DSB热点存在于基因间区和内含子中，DSB热点在基因间区显著富集，在5'UTR和CDS区显著减少。为了明确黄瓜DSB热点的序列特征，研究人员检索到丰富的已知和新生基序，两系中DSB比例最高的基序是polyC重复序列和TA重复序列；还探索到了一些全新发现，在不同的黄瓜生态型中存在包括polyC重复序列和TA重复序列在内的相似类型基序，它们与玉米、拟南芥和哺乳动物中的减数分裂重组相关基序具有相似特征。这些结果揭示了DSB位点的序列偏倚在包括黄瓜在内的植物中是保守的。
▲黄瓜减数分裂DSB热点周围CsRAD51A、H3K4三甲基化、染色质可及性和DNA甲基化图谱
▲黄瓜中CsRAD51A、H3K4三甲基化、染色质可及性和基因区域周围DNA甲基化图谱
研究人员可视化了DSB热点周围表观遗传状态的平均分布，使用与DSB特征相似的随机基因组区域进行比较，后根据重组率的递减规律将DSB热点区分为2组，探讨表观遗传修饰在DSB局部CO形成中的作用。结果发现DSB位点的CO率与CsRAD51A ChIP-seq信号强度呈正相关；H3K4me3修饰在减数分裂DSB及其周围区域特异性缺失，但与局部CO形成无明显关联；与随机基因组位点相比，DSB热点的侧翼区域显示出更多的染色质可及性；此外，活性染色质与DSB重组率呈正相关；相比之下，DNA甲基化在DSB内特异性富集，并与CO率呈负相关，特别是mCG和mCHG。研究数据表明，在黄瓜DSB热点中，CsRAD51A结合紧密、较高的染色质可及性、较低的mCG和mCHG水平与高CO频率密切相关。
还研究了基因周围的表观遗传信息，与与基因区域具有相似特征的随机基因组位点相比，CsRAD51A ChIP-seq、FAIRE-seq、mCHG和mCHH的信号在基因body区域下降，而在侧翼区域略有增加。综合分析发现CsRAD51A结合、染色质可及性和低甲基化与基因区域的局部CO率呈正相关。
▲黄瓜染色体CO频率的观测与预测比较
研究发现近三分之一的杂交特异性COs与不同的遗传和表观遗传特征重叠，CO改变的定位与特定的DSB事件、杂合SVs及其与表观遗传修饰的相互作用密切相关。尽管DNA甲基化在细胞分裂过程中被忠实复制，但雄性减数细胞中的mCHH在雄性性谱系的发育过程中经历了重组；再加上减数细胞中与体细胞相比的种系特异性DNA甲基化修饰，研究可能高估了DMRs引起的杂交后代CO改变的实际比例。由于缺乏更精细的黄瓜减数细胞取样方法和其他数据，可靠结论还有待深究。
▲黄瓜杂交种间CO变化中不同表观遗传修饰和SVs的富集
