武汉大学袁涛团队《Communications Biology》:地笋基因组揭示多倍体不对称亚基因组进化与降水驱动的局部适应

研究方法：对地笋单株进行PacBio HiFi（~32×）、Hi-C（~100×）和BGI短读长（~100×）测序，使用Hifiasm和HapHiC组装，SubPhaser分相。通过共线性分析、Ks分布和与近缘种比较鉴定WGD事件。使用DupGen_finder分类重复基因类型。

研究结果：组装获得1.18 Gb染色体水平基因组，共33条染色体。基因组BUSCO完整度99.5%，重复序列占57.15%（LTR 38.73%）。共注释75,923个蛋白质编码基因和534个假基因。Ks分布显示三次WGD事件：核心真双子叶共享WGT（~113.37 Mya）、唇形科共享WGD（~59.79 Mya）和地笋特有的近期WGT（~4.77 Mya）。与西伯利亚益母草的共线性分析显示1:3基因拷贝数关系，证实了近期三倍化。重复基因分类：WGD型占多数（45,781个），其次为TRD、TD等。WGD衍生基因在倍半萜、三萜、苯丙烷等次生代谢通路中显著富集，表明多倍化为代谢创新提供了原材料。亚基因组结构为AAB型，推测起源于一个同源四倍体祖先与一个二倍体祖先的杂交。祖先唇形科核型（11条染色体）被成功重建。

图1. L. lucidus染色体水平基因组组装概览

研究方法：计算三个亚基因组的Ka、Ks和Ka/Ks比值，使用Mann-Whitney U检验比较差异。通过SubPhaser鉴定同源染色体组。用HYPHY检测松弛选择和强化选择基因。统计纯化选择基因数量并进行GO富集分析。

研究结果：亚基因组B与A、C在核苷酸替代率上存在显著差异（p<0.05）。亚基因组A的Ka/Ks比值低于B，表明A进化更稳定，保留更多祖先功能基因，成为“优势亚基因组”。纯化选择基因数量：亚基因组A有21,832个，亚基因组B仅14,732个，进一步支持A的保守性。HYPHY分析显示，松弛选择基因在A（98个）和C（105个）中多于B（68个）；强化选择基因同样在A（96个）和C（132个）中多于B（68个）。亚基因组A和C的假基因频率也更高。GO富集表明，亚基因组A的纯化选择基因富集于生物过程，而B和C富集于分子功能，体现亚功能化。LTR插入时间分析显示，A和B含有较老的转座子插入，而C有更近期的TE爆发。这些结果共同表明：亚基因组B已成为维持核心功能的稳定优势亚基因组；亚基因组A和C仍处于活跃的功能重组和假基因化中，为适应性进化提供可变遗传资源。该不对称性符合多倍体二倍化早期阶段的典型特征。

图4. L. lucidus染色体的进化

研究方法：对13个种群60个个体进行全基因组重测序（平均深度12.32×），鉴定14,478,124个高质量SNP。进行PCA、ADMIXTURE（K=2-6）、最大似然系统发育树（1000次bootstrap）。计算核苷酸多样性（π）、F_ST、LD衰减。使用PSMC重建有效种群大小历史（世代时间1年，突变率8.521×10⁻⁹/年）。TreeMix分析基因流动。

研究结果：PCA和系统发育将60个个体分为四个单系谱系：组1（东南：江苏、浙江、湖南常德、湖北孝感）、组2（中亚热带：湖北随州、湖南永州）、组3（西南：重庆、贵州）和组4（山东）。ADMIXTURE交叉验证支持K=4为最优。山东组（组4）与非山东组在PCA中完全分离。核苷酸多样性：组4最高（π=2.55×10⁻³），组1最低（1.48×10⁻³），总体平均2.48×10⁻³，介于栽培作物和野生种之间，提示早期驯化阶段。遗传分化指数FST：组1与组4最高（0.345），组2与组4最低（0.214）。LD衰减距离：组1最快（51 bp），组2最慢（314 bp），组3和组4分别为71 bp和119 bp，均远小于野生大豆等，反映高重组率和近期瓶颈。PSMC显示，所有谱系在大约2千年前经历了一次严重的有效种群大小下降（Ne降至3-8万），与晚全新世降温一致，随后逐渐恢复。TreeMix检测到组1与组3之间的基因流动，以及组2和组3中的外来渐渗。结果表明，东南谱系（组1）可能是地笋在中国的起源中心。

图5. L. lucidus样本的遗传结构分析

图6. L. lucidus的种群进化历史与种群基因流

研究方法：以山东谱系为参考，对非山东谱系进行XP-CLR和F_ST扫描（100 kb窗口，10 kb步长），取前1%和前0.1%重叠区域为选择性消除。对候选基因进行GO富集。使用LFMM和RDA进行基因型-环境关联分析，选取4个低相关生物气候变量（BIO8、BIO10、BIO13、BIO17）。计算遗传距离、环境距离、地理距离的Mantel检验。

研究结果：鉴定出166个（前1%）和9个（前0.1%）选择性消除区域，分别包含566个和68个正选择基因。值得注意的是，566个PSG中531个（93.8%）源自亚基因组C，而所有68个前0.1%PSG全部来自亚基因组C。GO富集显示这些PSG主要富集于淹水胁迫响应（D-乳酸脱氢酶等）、快速生长适应（木葡聚糖转糖基酶）和抗氧化系统（乙醇酸氧化酶）。RDA分析表明，降水变量（Bio13+Bio17）解释了46.94%的遗传变异，温度变量仅解释0.24%，降水是主要驱动力。LFMM和RDA共鉴定出9,496个环境关联SNP（涉及5,737个基因），这些基因富集于防御反应、信号转导、植物-病原体互作、淀粉蔗糖代谢、蜡质生物合成、类黄酮生物合成、油菜素内酯生物合成等通路，与干旱和碱性土壤适应相关。Mantel检验显示遗传距离与环境距离显著正相关（r=0.250，p<0.05），而与地理距离无显著相关（r=0.195，p>0.05），环境隔离主导分化。以上结果表明，亚基因组C作为适应性变异的“储备库”，在环境适应中发挥核心作用。

图7. 群体遗传变异与选择特征分析

研究方法：对GEA鉴定的5,737个适应相关基因进行重复起源分类（WGD、TD、PD、TRD、DSD）。计算各亚基因组中适应性基因的数量。通过12个物种的5,247个直系同源基因检测正选择基因（分支-位点模型）和快速进化基因。使用JTT-Fgene和PCOC两种方法检测地笋、屏边三七、胡萝卜之间的趋同进化。

研究结果：在环境适应相关的候选基因中，WGD衍生基因占63.52%（3,644个），远高于其他重复类型（TRD 9.08%，TD 5.86%），表明全基因组三倍化是局部适应的主要遗传原材料。这些适应性基因在三个亚基因组中的分布不对称：亚基因组A有1,497个，B有1,188个，C有959个，优势亚基因组A保留最多。检测到310个正选择基因和776个快速进化基因，主要富集于DNA复制、修复和核糖体生物合成。在唇形科、五加科、伞形科中，共鉴定出109个共享PSG，其中三个涉及糖转运和淀粉代谢的基因可能参与根膨大。两种趋同检测方法的交集得到11个趋同进化基因，包括KNOX1（evm65044.t1）和LOB（evm56005.t1）。KNOX1参与茎尖分生组织和器官边界调控，LOB调节侧根发育。尽管三个科系统发育距离远，但它们可能通过改变相同发育模块的遗传基础独立进化出根膨大性状。

图8. 基因复制事件对局部适应的贡献

本研究完成了多倍体药用植物地笋的染色体级别基因组（1.18 Gb，33条染色体），揭示了约477万年前发生的全基因组三倍化事件，形成了AAB型亚基因组结构。亚基因组B为稳定优势亚基因组，亚基因组A和C处于动态重组中。群体基因组分析将中国地笋分为四个地理谱系，晚全新世瓶颈与气候降温一致。亚基因组C作为适应性变异储备库，在群体分化中贡献了93.8%的正选择基因。降水而非温度是局部适应的主要驱动力，WGD衍生基因占适应性位点的63.52%。趋同进化分析鉴定出KNOX1和LOB等11个基因，可能参与根膨大的独立进化。该研究为理解多倍体早期二倍化过程中亚基因组不对称性如何塑造生态适应提供了重要范例。

参考文献: