转座子对棉花属转录后调控进化的广泛影响：解锁棉花物种演化的关键

为探究转座子（TE）对棉花转录后调控进化的影响，研究人员分析多组学数据，发现 TE 影响基因表达，助力理解棉花演化。

　　在生物学的宏大版图中，进化是贯穿始终的核心线索。科学界普遍认可所有生物拥有共同起源，即最后共同祖先（LUCA），而基因表达调控在物种的适应性分化和进化进程中占据着关键地位。基因表达调控是一个极为复杂的过程，其中转录后调控，像 RNA 剪接、修饰、稳定性以及翻译效率等方面，对蛋白质的功能有着深远影响。比如，替代剪接（AS）能从同一基因产生不同的 mRNA 异构体，为蛋白质和表型的多样性提供了丰富的来源；而翻译调控对蛋白质水平的影响，甚至超过了 RNA 合成、mRNA 降解和蛋白质降解等因素的总和。

在动植物的基因组中，转座子（TE）广泛存在。它不仅能够引起基因重组和染色体结构变异，为物种进化中的遗传变异奠定基础，还能通过多种方式调控基因转录，在转录后水平也发挥着重要作用，例如影响蛋白质表达等。研究表明，TE 插入基因可能通过 AS 产生新的蛋白质异构体，推动物种的多样性和进化。

棉花作为重要的农作物，拥有多种基因组类型，广泛分布于世界各地，展现出丰富多样的表型特征，为进化研究提供了宝贵的材料。其 45 种二倍体棉花主要包含 8 种基因组类型，基因组大小差异显著，最大的 K 基因组比最小的 D 基因组大出三倍多。此前，相关研究已构建了涵盖所有二倍体棉花基因组类型的泛基因组和泛三维基因组图谱，探索了调控元件和直系同源基因网络的进化，但在转录后调控层面的研究尚属空白。

为填补这一空白，华中农业大学、中国农业科学院棉花研究所、石河子大学等机构的研究人员，针对 8 种不同基因组类型的二倍体棉花展开研究。该研究成果发表在《Genome Biology》上，为揭示棉花物种的进化机制提供了全新的视角和理论依据。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先，通过构建非冗余的棉花转座子文库，对棉花基因组中的转座子进行重新注释和分析。然后，利用 RNA 测序（RNA-seq）、核糖体图谱测序（polysome profiling-seq）、纳米孔直接 RNA 测序（DRS）和小 RNA 测序等多组学测序技术，全面获取棉花在转录、翻译等不同层面的信息。此外，借助系统发育分析、基因家族进化分析等手段，深入探究转座子对棉花基因表达和物种进化的影响。

研究人员发现，棉花基因组中 TE 占比很高，在不同棉花谱系中存在差异扩张。通过对不同基因类型的 TE 覆盖度分析，发现物种特异性基因上 TE 显著富集，且单拷贝直系同源基因上保守 TE 插入数量在亲缘关系近的物种间相似，在较远物种间差异明显，这表明 TE 在棉花物种的遗传分化中发挥了作用。

在基因转录方面，研究人员分析了 8 种棉花的基因转录情况，发现不同类型的 TE 插入对直系同源基因的表达影响各异。DNA 转座子在仅在部分物种中表达的基因中差异插入占比高，可能通过破坏启动子或替换转录起始位点来影响基因转录；而 LTR 反转录转座子在差异表达的直系同源基因中差异插入占主导，它可能通过影响转录因子结合来调控基因转录水平。

对于转录异构体，研究人员利用 DRS 技术研究转录本结构变化，发现 TE 与转录异构体数量存在显著相关性。部分 TE 可引入新的剪接位点增加转录本数量，也有 TE 会导致转录提前终止减少转录本数量。同时，含有 TE 插入的基因 AS 事件更多，且 AS 事件会导致主要异构体结构差异，进一步证明 TE 可改变基因剪接模式，影响直系同源基因的转录结构分化。

在翻译水平，研究人员构建核糖体图谱文库量化翻译水平，发现转录组和翻译组存在差异，翻译水平变化更大。进一步研究发现，转录水平无差异但翻译水平有差异的基因含有更多特异性上游开放阅读框（uORF），uORF 可降低基因翻译效率，且差异 TE 扩张可能通过引入特异性 uORF 来调控基因翻译效率，进而影响棉花物种进化。

此外，研究人员还发现 TE 衍生的 miRNA 也参与调控转录本的翻译差异。miRNA 可抑制靶基因的翻译效率，TE 扩张会增加 miRNA 靶位点，影响基因翻译。TE 主要通过两种机制发挥作用，一是 TE 衍生的 miRNA 降低含有靶位点异构体的翻译效率；二是 TE 引入新的剪接位点，产生逃避 miRNA 调控的异构体，提高其翻译效率。

通过对不同谱系棉花直系同源基因在转录、剪接和翻译水平的表达谱分析，研究人员发现基因表达调控在棉花进化过程中具有高度的灵活性和可塑性。在棉花进化的不同阶段，差异表达基因的功能富集模式不同，反映了不同阶段的适应性功能转变，如色素代谢、应激反应和纤维进化等方面的变化。

综上所述，该研究利用多组学数据，深入分析了转座子介导的转录后调控在 8 种二倍体棉花物种分化中的作用。研究表明，转座子扩增会改变剪接位点和调控序列，影响直系同源基因的替代剪接模式和表达水平；uORF 和源自转座子的小 RNA 等调控元件介导了直系同源基因翻译水平的差异。研究还鉴定出在转录、剪接和翻译水平呈现谱系特异性差异的基因，进一步探究了棉花物种进化过程中直系同源基因表达调控的差异。这些发现为理解棉花物种转录后调控的进化机制和生物多样性的形成提供了重要线索，也为未来作物遗传改良和保护提供了关键的分子基础，有助于深入研究植物基因组的动态变化和进化过程。