科研 |EVOL APPL：高地和低地生态型间的转录组差异有助于水稻适应干旱的农业生态系统（国人佳作）

编译：夕夕，编辑：景行、江舜尧。

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导读

转录组水平的差异变化会影响植物对生态环境的适应性。在干旱环境下，旱稻和低地水稻耐干旱的程度不同。本研究通过高通量测序，评估了两种水稻在充足水分和干旱条件下的形态差异，以及它们在遗传和转录水平方面的差异，发现旱稻比低地稻具有更高的表达多样性。成千上万个基因在两种水稻生态型之间表现出表达差异，这导致了它们在耐旱性上的形态差异。转录调节区的突变导致顺式元件的存在和缺失，是表达差异的原因。在旱稻和低地稻中，大约有15.3％的转录选择基因也接受基于序列的选择。一些高度分化的基因通过基因共表达网络促进两种水稻之间的转录组差异。此外，研究还检测了耐旱性和生产力之间的转录平衡。

论文ID

原名：Transcriptomic divergence between upland and lowland ecotypes contributes to rice adaptation to a drought-prone agroecosystem

译名：旱地和低地生态型间转录组的差异有助于水稻适应干旱的农业生态系统

期刊：Evolutionary Applications

IF：4.013

发表时间：2020年7月

通讯作者：夏辉

通讯作者单位：华中农业大学

DOI号：10.1111/eva.13054

实验设计

结果

1 低地水稻和旱稻的形态上差异

干旱对水稻的生长和繁殖存在严重的负效应，例如在干旱条件下水稻的pH，NT，FLW，NG，GY，生物量，HI和繁殖力的显着下降。叶片含水量也在干旱下变得更差。旱稻和低地稻在许多农艺性状上表现出显着差异。在CK，低地水稻表现出更多的分蘖、更窄的旗叶、更多的谷粒、更高的生物量、更高的HI和更好的繁殖力。在干旱处理组（DT）中，旱稻的pH值更高，旗叶较长且较宽。较高的RWC-DT和RGY表明，旱稻具有更好的抗旱性。RGY和RWC-DT与CK的许多产量性状（例如NT，NG，GY，HI和生殖力）呈负相关（图2a）。该结果表明水稻的耐旱性与生产力之间存在一定的关系。四个测量性状（CK和DT中的NT和DT中的FLW和RWC）的Q_ST值明显高于根据基因间SNP计算的中性基因组F_ST（图1a）。

图1 旱稻和低地稻之间的形态差异及其与转录组差异。（a）测量性状Q_ST和F_ST比较。标粗加”*”的性状Q_ST值显著高于F_ST；（b）测量性状Q_ST与TDSGs中性状相关的基因显著相关

图2 典型基因型在耐旱性和产量之间的形态和转录水平的权衡。（a）植株性状和耐旱性之间的相关性。简称：株高（PH）、分蘖数（NT）、旗叶长（FLL）、旗叶宽（FLW）、粒数（NG）、百粒重（100GY）、籽粒产量（GY）、收获指数（HI）、相对含水量（RWC）和相对产量（RGY）。CK表示水分充足条件，DT表示干旱条件。（b）RWC和NT相关基因的韦恩图，如果一个基因与一个性状呈正相关而与另一个性状呈负相关则该基因被定义为具有潜在权衡的基因。（c）转录选择基因在D-TDSGs和CK-TDSGs下，RWC相关基因的韦恩图。

2 旱稻和水稻生态型的遗传分化

PCA分析发现，旱稻和低地稻由于其基因组SNP分为两组。该结果与聚类分析结果相似，表明旱稻和低地稻之间的遗传分化水平高。根据这些结果，确定了40和50种典型的旱稻和低地稻的基因型。通过计算每个基因的遗传差异（F_ST），鉴定到了2708个基因是典型的旱稻和低地稻生态型之间的HDG。根据单样本Kolmogorov–Smirnov检验，发现这些基因在基因组中分布不均匀（图3）。通过GO富集分析发现，这些HDG与生物刺激反应（GO：0009607），外部刺激反应（GO：0009605），ncRNA分解代谢过程（GO：0034661）和rRNA分解代谢过程（GO：0016075）相关。然而，在HDGs中并没有检测到对这八种环境因素显著富集的基因。

图3 干旱反应基因（DRG）的分布，高分化基因（HDG），干旱下的转录选择基因（D-TDSG），水分充足条件下的转录选择基因（CK-TDSG），旱稻的定向选择基因（U-DSG）和低地的定向选择基因水稻基因组中的水稻（L-DSG）。

3 水分充足和干旱条件下的基因表达差异

在CK和DT的样本中分别检测到37,637和36,388个表达基因。在这些表达基因中，近四分之一（8,846）为差异表达基因，它们在基因组中均匀分布（图3）。此外，基于威尔科克森符号秩检验，在CK和DT条件下旱稻的C.V.和Ed均高于水稻。

4 水分充足和干旱条件下的转录组水平差异

在CK和DT中，总共有1,185和1,173个TDSGs基因（图3）。在CK和DT下，TDSG的SI均为正值。CK-TDSG和D-TDSG均匀分布在同一区域，并共有585个（33.0％）共同基因。基于Mann-Whitney（P <0.001）和Mann-Whitney（P <0.001）分析CK-TDSGs（0.383±0.007）和D-TDSGs（0.421±0.006）的平均F_ST值显着高于基因组平均值（0.261±0.001），该结果表明基因在基于序列的选择中是优先的。

5 转录组水平差异导致形态差异和干旱适应

在155个具有功能特性的耐旱基因和101个与NT相关的基因中，在一种或两种情况下仅有七个抗旱基因和三个NT相关基因进行转录选择。此外，只有OsAKT1和OsGL1-8的表达模式与旱稻中观察到的较高的耐旱性相符。该结果表明，两种水稻在耐旱性和NT上的形态差异不能简单地用基因之间的表达差异来解释。

为了找到两种水稻之间形态差异的潜在转录组学解释，研究者进一步计算了TDSGs中性状相关基因的富集率。共有成千上万的基因与在CK或DT的形态性状显着相关（P <0.05）。性状的Q_ST与典型基因型中TDSG中性状相关基因的比例显着相关（图1b）。该结果表明两种水稻的转录组差异导致了它们的形态差异。

RWC-D是估测耐旱性的一个重要生理性状，是在Q_ST-F_ST比较的基础上，在两个水稻生态型之间进行差异选择的（图1a）。根据Fisher的精确检验，如果干旱响应D-TDSG与RWC负相关，则其表达水平在旱稻中趋于降低。相反，如果干旱响应TDSG与RWC正相关，则其在旱稻中的表达水平往往更高。该结果表明RWC相关的D-TDSG的表达有利于维持旱稻中更好的水分状况，这可以促进其干旱适应。

NT是重要的农艺性状，对水稻的产量有很大影响。根据Q_ST-F_ST比较，在两种水稻之间进行了不同选择（图1a）。有144个与RWC-DT和NT-CK具有相负相关的基因（图2b），表明水稻耐旱性和分蘖能力之间存在转录平衡。

6 旱稻和低地稻基于序列的方向选择

表达差异（基因表达的Q_ST）与遗传差异（基因表达的F_ST）显着相关。此外，基因表达变异（C.V.）和表达多样性（Ed）与基因的遗传多样性显着相关。为了确定潜在的遗传机制，研究者进一步扫描了基因序列上的定向选择，分别在旱稻（U-DSG）和水稻（L-DSG）中检测到有近期定向选择迹象的1,669和1,655个基因（图3）。这些基因很少重叠，并且分别分布在水稻基因组中，这表明旱稻和水稻的驯化涉及不同的基因组。

7 改变顺式SNP对基因表达有影响，并有助于基因表达差异

为了研究转录调控区域对转录选择的影响，研究者分析了转录调控区域（转录起始位点上游-2,000）以查找cis-SNP。在水稻基因组中共有17,263个基因包含cis-SNP。同时，759个CK-TDSGs（64.0％）和814个D-TDSGs（69.4％）包含cis-SNP。根据Fisher精确检验，其比例均显着高于总基因中的比例（两个检验的P <0.001）。此外，根据Fisher精确检验，高度分化的TDSG（386个中的284个，占73.6％）比中性TDSGs（1,387个中的854个，占61.5％）所包含的cis-基因的比例显着更高（P =0 .047）。这些结果表明，cis-SNPs应有助于水稻生态型之间基因表达的差异。

8 基因共表达网络有助于水稻转录组适应干旱

研究者对612个干旱响应型TDSG进行了WGCNA，以研究共表达网络对水稻干旱适应性的影响。经分析共获得了四个具有生物学意义的模块，这些模块已用RWC进行了显着校正。该结果表明共表达网络与抗旱性有关（图4）。共表达网络包含147个HDG，这些HDG可以通过共表达网络在转录水平促进旱稻适应干旱环境的适应。研究者认为在基因共表达网络中具有cis-SNP的11个高度分化的核心基因在水稻转录适应干旱环境中发挥重要作用（表1）。

图4 加权基因共表达网络中四个模块的组成及其本征基因与所测性状之间的相关性。注：括号中的数字为该模块中的节点数和F_ST。饼图表示了D-TDSG和CK-TDSG条件下转录选择基因的比例。PCC矩阵中括号中的数字为相关性分析计算所得P值。

表1 基因共表达网络中11种具有顺式改变SNP的高分化的基因。注：100GW：100粒重，CK：水分重复，DT：干旱，FLL：旗叶长，FLW：旗叶宽，GY：籽粒产量，HI：收获指数，NG：粒数，NT：分蘖数，PH：株高，RGY：相对产量，RWC：相对含水量。

讨论

1 转录组差异有助于旱稻适应干旱多发的旱地环境

基因表达的变化在植物适应环境变化中起着至关重要的作用。基因表达的较大差异可能表明具有更高的进化潜力。本项研究中，在干旱和水分充足的条件下，旱稻的基因表达差异比低地稻的基因表达差异更大，这表明在干旱环境下，旱稻的转录组水平可能差异更大。

在先前的研究中，群体中适应性特征的形成归因于几个或一组基因的表达差异。研究者观察到旱稻的抗旱性有所提高，这与许多先前研究的结果一致。研究者发现旱地和水稻之间的转录组差异很大，其中包含大量的TDSG。

研究者发现，响应干旱的基因明显富集在TDSGs中。转录选择极大地促进了两种水稻之间的形态差异，并通过保持更好的水分状况而促进了旱稻的干旱适应。总之，水稻驯化过程中转录水平的方向选择及其转录组差异在旱稻适应干旱多发的旱地环境中起着重要作用。但是，研究的结果仅从叶片组织中获得，这只能反映出先前的耐旱性。

2 基因共表达网络中关键HDGs促进水稻转录组对干旱的适应

先前的研究表明，植物适应性可能更常见地通过调节而非结构（即蛋白质编码）变化进行，因为调节突变具有时空限制。根据研究的数据，顺式元件中的突变会影响基因表达并引起表达差异。但是，还注意到，需要进一步研究的表观遗传机制可能在旱稻和低陆稻之间的转录组差异中发挥作用。

3 耐旱性与产量之间的转录组平衡

水稻的产量和抗旱性之间的关系已在很多研究中得到广泛的讨论。在这项研究中，研究者在转录组水平上发现抗旱性和分蘖能力之间的关系。转录组的权衡可能会给构建过表达抗旱基因带来一些影响。相反，在干旱条件下，在正常条件下干旱胁迫下耐干旱基因的胁迫诱导表达可能是有益的。

4 耐旱品种育种的农业意义

尽管许多耐旱基因在实验室条件下表现出良好的性能，但它们很少会在商业领域得到成功应用。之所以会出现这种差异，是因为植物对干旱的适应是细胞对整个植物的系统反应。在旱稻和水稻分化过程中，可能不会积极选择耐旱性较小的基因。相反，促进水稻转录组适应干旱的关键基因可以对抗旱性产生系统性影响。因此，它们是提高水稻育种的耐旱性的有价值的候选者。

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