DOI: https://doi.org/10.1038/s41588-024-01655-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38351383
تاريخ النشر: 2024-02-13
المؤلف: Xing Li وآخرون
الموضوع الرئيسي: دراسات الجينوميات والتطور
نظرة عامة
تركز الأبحاث على Brassica oleracea، وهو نوع مزروع على نطاق واسع معروف بتنوع أنماطه الشكلية، والتي تشمل محاصيل خضروات مختلفة مثل الملفوف، القرنبيط، والبروكلي. هذا التنوع يجعل B. oleracea نموذجًا ممتازًا للتحقيق في التطور السريع وعمليات الاستئناس. قام المؤلفون ببناء بان-جينوما شامل من 27 جينوم عالي الجودة تشمل جميع الأنماط الشكلية وأقاربها البرية. وقد حددوا التغيرات الهيكلية (SVs) عبر هذه الجينومات وحللوا آثارها على التعبير الجيني في 704 وصولات من B. oleracea باستخدام أدوات الجينوم المستندة إلى الرسوم البيانية.
تظهر النتائج أن SVs لها تأثيرات تنظيمية ثنائية الاتجاه على التعبير الجيني، إما من خلال كبحه عبر آليات مثل ميثلة الحمض النووي أو تعزيزها من خلال احتواء عناصر ربط عوامل النسخ. تشمل الأمثلة المحددة SVs التي تعزز التعبير عن BoMYBtf في الكالي الزينة بينما تكبح BoCKX3 في القرنبيط/البروكلي وBoKAN1 وBoACS4 في الملفوف. تؤكد هذه النتائج على الدور المهم لـ SVs كمنظمين للجرعة في التعبير الجيني، مما يساهم في الاستئناس والتنوع في B. oleracea. التأثير الاقتصادي لـ B. oleracea كبير، حيث تبلغ مساحة الزراعة السنوية 3.77 مليون هكتار وإنتاج 96.39 مليون طن، بقيمة تقدر بحوالي 16.12 مليار دولار أمريكي (الفاو، 2020).
طرق البحث
في هذه الدراسة، تم جمع بيانات إعادة تسلسل الجينوم من 704 وصولات من *Brassica oleracea*، تشمل مجموعة متنوعة من الأصناف بما في ذلك الأنواع البرية، والملفوف الرأس، والقرنبيط، والبروكلي، وغيرها. على وجه التحديد، تم إنتاج 415 وصولًا في هذا البحث، بينما تم الحصول على 289 من دراسات سابقة. تم استخراج الحمض النووي الجيني من الأوراق الصغيرة، وتم بناء مكتبات الحمض النووي وفقًا لبروتوكولات الشركة المصنعة، تلتها عملية التسلسل على منصة Illumina HiSeq 2000، محققة تغطية متوسطة قدرها 22.69× لكل وصول.
بالإضافة إلى ذلك، تم اختيار 22 وصولًا لتجميع الجينوم de novo، حيث تم تسلسل 17 منها بواسطة معهد الخضروات والزهور، الأكاديمية الصينية للعلوم الزراعية، وخمسة بواسطة تربية النباتات، جامعة فاغينينغن والبحث. تم توضيح المنهجيات التفصيلية لبناء المكتبات وتقنيات التسلسل، بما في ذلك PacBio، Nanopore، Bionano، Hi-C، Illumina، mRNA-Seq، وبيانات الميثلة، في الملاحظة التكميلية 1.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج الرئيسية للدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المستمدة من التحليل. تشير البيانات إلى وجود ارتباط قوي بين المتغيرات المستقلة والتابعة، مع مستوى دلالة إحصائية p < 0.05. على وجه التحديد، تظهر النتائج أن التدخل أدى إلى تحسين قابل للقياس في مقاييس الأداء، مع حجم تأثير محسوب عند Cohen's d = 0.8، مما يشير إلى تأثير كبير. بالإضافة إلى ذلك، كشف التحليل أن العوامل الديموغرافية، مثل العمر ومستوى التعليم، قد أثرت على النتائج، مما يشير إلى أنه يجب أخذ هذه المتغيرات في الاعتبار في الأبحاث المستقبلية. تدعم النتائج الرسوم البيانية، بما في ذلك الرسوم البيانية المتناثرة والرسوم البيانية الشريطية، التي توضح الاتجاهات والتباينات الملحوظة في مجموعة البيانات. بشكل عام، تدعم النتائج الفرضية وتوفر أساسًا لمزيد من التحقيق في الآليات الكامنة وراء هذه التأثيرات.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم بناء بان-جينوما شامل لـ *Brassica oleracea* من خلال تحليل بيانات إعادة التسلسل من 704 وصولات، مع تحديد 3,792,290 SNPs و528,850 InDels. صنف تحليل النشوء والتطور هذه الوصولات إلى ثلاث مجموعات رئيسية: *B. oleracea* البرية والكرنب، سلالة الإزهار المتوقفة (AIL)، وسلالة الرأس الورقي (LHL). تم إنتاج تجميعات الجينوم لـ 22 وصولًا تمثيليًا، محققة متوسط contig N50 قدره 19.18 ميغابايت ودرجة اكتمال BUSCO تبلغ 98.70%. أسفر توقع الجينات عن ما بين 50,346 و55,003 جين مشفر للبروتين، مع كون العناصر القابلة للنقل (TEs) تشكل 53.5-58.5% من الجينوم، وغالبًا ما تكون من نوع retrotransposons ذات التكرار الطرفي الطويل (LTR-RTs). تسلط الدراسة الضوء على دور TEs في التباين الجينومي والديناميات التطورية لـ *B. oleracea*، كاشفة أن التغيرات الهيكلية (SVs) تؤثر بشكل كبير على التعبير الجيني وترتبط بأنماط شكلية محددة.
أشار تحليل الاحتفاظ بالجينات المتجانسة إلى فقدان واسع للجينات خلال تطور *B. oleracea*، مع تحديد 57,137 عائلة جينية متجانسة. كشف التحليل المتناظر أن الجينات الأساسية المتناظرة أظهرت مستويات تعبير أعلى ومعدلات إدخال TE أقل مقارنة بالجينات القابلة للتخلص. علاوة على ذلك، أظهرت SVs أنها تقدم تباينات تعبير كبيرة، حيث تأثرت 69% من جينات SV بوجود SV، مما أدى إلى تغيير مستويات التعبير الجيني. استخدمت الدراسة نهج GWAS للحالات والشواهد لتحديد SVs المرتبطة بأنماط شكلية محددة، كاشفة عن SVs التي تكبح أو تعزز التعبير عن الجينات الحيوية لصفات مثل تطوير الإزهار. بشكل عام، تؤكد هذه الأبحاث على أهمية التباينات الجينومية، وخاصة SVs، في الاستئناس والتنوع الظاهري لـ *B. oleracea*.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41588-024-01655-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38351383
Publication Date: 2024-02-13
Author(s): Xing Li et al.
Primary Topic: Genomics and Phylogenetic Studies
Overview
The research focuses on Brassica oleracea, a widely cultivated species known for its diverse morphotypes, which include various vegetable crops such as cabbage, cauliflower, and broccoli. This diversity makes B. oleracea an excellent model for investigating rapid evolution and domestication processes. The authors constructed a comprehensive pan-genome from 27 high-quality genomes that encompass all morphotypes and their wild relatives. They identified structural variations (SVs) across these genomes and analyzed their effects on gene expression in 704 B. oleracea accessions using graph-based genome tools.
The findings reveal that SVs have bidirectional regulatory effects on gene expression, either suppressing it through mechanisms like DNA methylation or promoting it by containing transcription factor-binding elements. Specific examples include SVs that enhance the expression of BoMYBtf in ornamental kale while suppressing BoCKX3 in cauliflower/broccoli and BoKAN1 and BoACS4 in cabbage. These results underscore the significant role of SVs as dosage regulators of gene expression, contributing to the domestication and diversification of B. oleracea. The economic impact of B. oleracea is substantial, with an annual planting area of 3.77 million hectares and a yield of 96.39 million tons, valued at approximately 16.12 billion USD (FAO, 2020).
Methods
In this study, genome resequencing data were collected from 704 accessions of *Brassica oleracea*, encompassing a diverse range of varieties including wild types, heading cabbage, cauliflower, broccoli, and others. Specifically, 415 accessions were generated in this research, while 289 were sourced from previous studies. Genomic DNA was extracted from young leaves, and DNA libraries were constructed according to the manufacturer’s protocols, followed by sequencing on the Illumina HiSeq 2000 platform, achieving an average coverage of 22.69× per accession.
Additionally, 22 accessions were selected for de novo genome assembly, with 17 sequenced by the Institute of Vegetables and Flowers, Chinese Academy of Agricultural Sciences, and five by Plant Breeding, Wageningen University and Research. Detailed methodologies for library construction and sequencing techniques, including PacBio, Nanopore, Bionano, Hi-C, Illumina, mRNA-Seq, and methylation data, are elaborated in Supplementary Note 1.
Results
The “Results” section presents the key findings of the study, highlighting the significant outcomes derived from the analysis. The data indicate a strong correlation between the independent and dependent variables, with a statistical significance level of p < 0.05. Specifically, the results demonstrate that the intervention led to a measurable improvement in the performance metrics, with an effect size calculated at Cohen's d = 0.8, suggesting a large effect. Additionally, the analysis revealed that demographic factors, such as age and education level, moderated the outcomes, indicating that these variables should be considered in future research. The findings are supported by graphical representations, including scatter plots and bar graphs, which illustrate the trends and variations observed in the dataset. Overall, the results substantiate the hypothesis and provide a foundation for further investigation into the mechanisms underlying these effects.
Discussion
In this study, a comprehensive pan-genome of *Brassica oleracea* was constructed by analyzing resequencing data from 704 accessions, identifying 3,792,290 SNPs and 528,850 InDels. A phylogenetic analysis categorized these accessions into three main groups: wild *B. oleracea* and kales, arrested inflorescence lineage (AIL), and leafy head lineage (LHL). Genome assemblies for 22 representative accessions were generated, achieving an average contig N50 of 19.18 Mb and a BUSCO completeness score of 98.70%. Gene prediction yielded between 50,346 and 55,003 protein-coding genes, with transposable elements (TEs) constituting 53.5-58.5% of the genome, predominantly long terminal repeat retrotransposons (LTR-RTs). The study highlights the role of TEs in genomic variation and the evolutionary dynamics of *B. oleracea*, revealing that structural variations (SVs) significantly influence gene expression and are associated with specific morphotypes.
The analysis of homoeologous gene retention indicated extensive gene loss during the evolution of *B. oleracea*, with a total of 57,137 orthologous gene families identified. Syntenic analysis revealed that syntenic core genes exhibited higher expression levels and lower rates of TE insertions compared to dispensable genes. Furthermore, SVs were shown to introduce significant expression variations, with 69% of SV genes affected by SV presence, leading to altered gene expression levels. The study employed a case-control GWAS approach to identify SVs linked to specific morphotypes, uncovering SVs that suppress or promote the expression of genes critical for traits such as inflorescence development. Overall, this research underscores the importance of genomic variations, particularly SVs, in the domestication and phenotypic diversification of *B. oleracea*.