El análisis del transcriptoma global de la alopoliploidización revela grandes

Biología de las comunicaciones volumen 6, Número de artículo: 426 (2023) Citar este artículo

842 Accesos

4 Altmetric

Detalles de métricas

Las líneas sintéticas de trigo hexaploide (SHW) se crean como germoplasma previo al mejoramiento para diversificar el subgenoma D del trigo hexaploide y capitalizar la diversidad genética sin explotar del acervo genético de Aegilops tauschii. Sin embargo, los fenotipos observados en Ae. Los progenitores tauschii no siempre se recuperan en las líneas SHW, posiblemente debido a interacciones entre subgenomas. Para dilucidar este fenómeno de reprogramación del genoma posterior a la poliploidización, realizamos RNA-seq de cuatro líneas SHW y sus correspondientes padres tetraploides y diploides, en diez tejidos y tres réplicas biológicas. El análisis de sesgo de expresión homoeólogo (HEB) que utiliza más de 18 000 tríadas sugiere una supresión masiva de homoeoalelos del subgenoma D en SHW. El análisis comparativo del transcriptoma del conjunto de genes del genoma completo corroboró aún más este hallazgo. El análisis de empalme alternativo de los genes de alta confianza indica una capa adicional de complejidad en la que se identifican los cinco eventos de empalme y predomina el intrón retenido. La expresión de homeólogos tras la resíntesis de trigo hexaploide tiene implicaciones para el uso y la manipulación de este germoplasma en el mejoramiento, ya que se relaciona con la captura de los efectos de la interacción epistática entre los subgenomas tras la poliploidización. Se deben dar consideraciones especiales a este germoplasma en las actividades previas al mejoramiento para considerar el alcance de las interacciones entre subgenomas en la expresión génica y su impacto en las características para el mejoramiento de cultivos.

Los eventos de duplicación del genoma completo son uno de los principales impulsores de la especiación1,2,3. La mayoría de las angiospermas han sufrido poliploidización en el curso de su evolución y, en particular, se considera que el 30 % de las especies de cultivos son poliploides en función de la extensión de los loci duplicados en su genoma4. El linaje de las gramíneas experimentó un mínimo de tres eventos de duplicación del genoma completo5, lo que básicamente convirtió a toda la familia Poaceae en poliploide. Los eventos de duplicación del genoma completo se encuentran frecuentemente asociados con un potencial evolutivo significativo que promueve la adaptabilidad a entornos cambiantes6,7. Hay varias preguntas intrigantes relacionadas con los poliploides, desde los cambios dinámicos iniciales que experimentan en el genoma para su estabilización, hasta su establecimiento como poblaciones discretas8. La poliploidización crea una gran redundancia dentro del genoma, allanando así el camino para nuevas alteraciones que promueven el desarrollo de nuevos fenotipos y/o la adaptación9.

El trigo harinero (Triticum aestivum L.), es un cultivo alohexaploide (2n = 6x = 42) compuesto por los subgenomas A, B y D. Las hibridaciones aleatorias naturales que ocurrieron hace unos 8000 años entre el trigo emmer cultivado (Triticum turgidum L. ssp. dicoccum, 2n = 4x = 28; genoma AABB) y la hierba de cabra de Tausch (Aegilops tauschii Coss., 2n = 2x = 14; genoma DD) , seguida de la duplicación de cromosomas, dio como resultado el desarrollo del trigo harinero moderno10,11. Presumiblemente, solo un número limitado de Ae. las plantas tauschii contribuyeron a la evolución del trigo hexaploide, lo que llevó a un cuello de botella evolutivo llamado efecto fundador12; un cuello de botella que se restringió aún más por el flujo natural limitado de variación genética de especies diploides a hexaploides13,14 y la posterior domesticación y reproducción.

Los parientes silvestres de las especies cultivadas son una fuente de diversidad genética para múltiples características agrícolas importantes. Sin embargo, existen ciertas limitaciones para su uso, incluido el arrastre del enlace, la infertilidad y la escasa compatibilidad cruzada15. El premejoramiento es un enfoque sistemático que tiene como objetivo recuperar la diversidad genética de los parientes silvestres de cultivos e implementarla en los programas de mejoramiento. Tradicionalmente, los segmentos genómicos deseados de especies de cultivos silvestres se introgresan en antecedentes de cultivares de élite mediante retrocruzamientos repetidos con el apoyo de herramientas de genotipado de genoma completo de última generación para selecciones de primer plano y de fondo. Los SHW generados a partir de la hibridación artificial entre T. turgidum ssp. durum (AABB) u otras subespecies y Ae. tauschii (DD), seguido de la duplicación cromosómica, sirven como poblaciones premejoradoras efectivas para ampliar la diversidad genética del subgenoma D del trigo hexaploide. Los SHW desarrollados por el Centro Internacional de Mejoramiento de Maíz y Trigo (CIMMYT, México)16,17 se han utilizado ampliamente en programas de enriquecimiento de la diversidad genética del trigo en varios países. Más tarde, otros institutos de investigación y programas de mejoramiento de trigo en todo el mundo también produjeron SHW utilizando diferentes fuentes de Ae. tauschii para que sirvan como poblaciones base para el mejoramiento comercial de trigo.

Ae. tauschii es una fuente comprobada de resistencia a una amplia gama de estreses bióticos y abióticos18. Sin embargo, los fenotipos parentales no siempre se recuperan de manera efectiva en las líneas hexaploides sintéticas, posiblemente debido a los cambios genéticos y epigenéticos dinámicos y la consecuente variación en la expresión génica19. Por ejemplo, estudios que abarcan las últimas dos décadas han demostrado que la resistencia al patógeno de la roya del tallo (Puccinia graminis f. sp. tritici) es suprimida en el estado hexaploide por Med15, un componente del complejo Mediator codificado por el subgenoma D20,21. Tras la poliploidización, el homólogo D del transportador K+ de alta afinidad 1;5 (HKT1;5) muestra una expresión reducida, en comparación con los niveles parentales diploides, pero recupera el nivel de expresión nativo de los padres diploides en condiciones de estrés salino22. En ciertos fenotipos, como el ancho de grano, cada uno de los homólogos se asocia de manera diferente con el rasgo de interés y sus niveles combinados de expresión determinan el fenotipo resultante23.

También se considera que la alteración a través de múltiples capas de regulación génica tras la poliploidización mejora la adaptabilidad del trigo harinero alohexaploide en comparación con sus progenitores tetraploides y diploides24,25. Las alteraciones genéticas y epigenéticas reportadas tras la poliploidización en el trigo son similares a otras especies de plantas poliploides. A nivel estructural, además de los intercambios homólogos entre genomas, se ha observado tanto la pérdida como la amplificación de ADN repetitivo debido al estrés percibido en el genoma26. La reciente secuenciación del genoma completo del trigo harinero arroja luz sobre las inserciones y deleciones de transposones en las regiones intergénicas de los subgenomas A, B y D, aunque la fracción de cada familia de transposones entre los genomas homólogos no varía significativamente27. A nivel epigenético, además de los cambios en el estado de metilación de citosina del ADN, también se observó variabilidad en la metilación de histonas28,29, patrones de eucromatina y heterocromatina en los cromosomas y diferencias destacadas en los niveles de reguladores epigenéticos como ARN pequeños30,31. Estas marcas epigenéticas en los elementos reguladores del genoma modulan los niveles de expresión génica en el trigo harinero hexaploide32.

El efecto de algunos de estos cambios genómicos y epigenómicos que ocurren tras la poliploidización se refleja en el transcriptoma. Comprender el patrón de cambios de expresión entre los antecedentes de ploidía parental y el trigo hexaploide proporciona información valiosa para informar los cruces interespecíficos y ayudar a predecir los fenotipos recuperados en las progenies. En este estudio, utilizamos cuatro líneas SHW y sus correspondientes padres tetraploides (T. turgidum) y diploides (Ae. tauschii) para una evaluación comparativa de la dinámica del transcriptoma. Nos enfocamos en desentrañar los cambios en los patrones de expresión de genes homólogos entre los subgenomas en antecedentes parentales (2x y 4x) e híbridos sintéticos (6x). Además de las diferencias cuantitativas, también se determinaron las diferencias cualitativas sutiles en las transcripciones que surgen de eventos de empalme alternativo.

En este experimento, se generaron datos de RNA-seq a partir de cuatro líneas SHW y sus dos padres diploides y dos tetraploides (Tabla complementaria 1), a partir de tres réplicas biológicas en diez tejidos (Figura complementaria 1) para un total de 240 muestras. Después del preprocesamiento de las lecturas de secuenciación para las 240 muestras, obtuvimos un total de 4,9 B lecturas que corresponden a un promedio de 20,4 M lecturas por muestra, con un rango de 4,8 a 70,7 M. El número de lecturas sin procesar y lecturas procesadas para cada muestra fue compilado (Tablas complementarias 2, 3). Aproximadamente el 85 % de las lecturas totales se mapearon de forma única a Chinese Spring IWGSC RefSeq v2.133, ~12 % se mapearon a múltiples loci y ~3 % no se mapearon en absoluto (Tabla complementaria 4).

Con el fin de comprender el patrón global de la dinámica de expresión génica tras la poliploidización, específicamente HEB, y compararlos entre SHW y su estado parental, los genes (homólogos) pertenecientes a tríadas, es decir, con una copia en los tres subgenomas (18.357 tríadas34 ), se sometieron al cálculo de la prueba de razón de verosimilitud35 (LRT). Aquí, se consideran las diferencias en la longitud del gen entre los homólogos. La hipótesis nula, es decir, ninguna diferencia de expresión entre los homólogos, se probó para todas las comparaciones. En las líneas SHW se compararon los homólogos AB frente a D. Para probar el estado de expresión parental, se constituyeron escenarios similares a SHW in-silico con los correspondientes niveles de expresión parental tetraploide y diploide. Se observaron sesgos de expresión, predominantemente hacia el subgenoma D en el nivel de expresión de los padres, en los diez tejidos y SHW (Fig. 1). El número de tríadas que muestran un sesgo significativo hacia el subgenoma contribuido por el padre diploide (D) se redujo drásticamente en las líneas SHW correspondientes en todos los tejidos (Fig. 1 y Tabla complementaria 5). El tejido del pistilo cuando las anteras eran verdes e inmaduras tenía más de 10 000 tríadas sesgadas hacia el subgenoma D, según los niveles de expresión de los padres en los cuatro SHW. Las cabezas recolectadas en la etapa de arranque mostraron un patrón similar en todos los SHW excepto en C44 (Fig. 1).

Las barras azul marino y naranja oscuro representan el número de tríadas que muestran un sesgo de expresión significativo hacia los subgenomas AB y D, respectivamente. Pistil-1DAA pistilo-un día después de la antesis, Pistil-AM pistilo-cuando las anteras están en etapa madura, Pistil-AI pistilo-cuando las anteras están en etapa inmadura, Boot head en etapa de inicio.

En el tejido del brote de SHW-C66, las tríadas 9978 y 808 mostraron un sesgo significativo hacia los subgenomas D y AB, respectivamente, en función del nivel de expresión de los padres. Sin embargo, en el contexto de SHW, solo 890 tríadas estaban sesgadas hacia el subgenoma D (Fig. 2a, b). En las anteras, las tríadas 5667 y 1115 estaban sesgadas hacia los subgenomas D y AB, respectivamente, en el nivel de expresión del progenitor y más equilibradas en la condición hexaploide con tríadas 1740 D y 1841 AB (Fig. 2c, d). Asimismo, 10,128 tríadas sesgadas hacia el subgenoma D en los niveles de expresión parental se redujeron a 2976 en los pistilos (recolectados cuando las anteras eran verdes e inmaduras) de SHW (Fig. 2e, f). Estos resultados ilustran cambios importantes en el sesgo de expresión entre cientos de conjuntos de genes, entre el escenario sin interacción, es decir, el estado de expresión de los padres y la alteración de la expresión génica a gran escala causada por interacciones de los subgenomas, es decir, en líneas SHW. El número de tríadas significativamente sesgadas hacia el subgenoma D fue mayor en el fondo genómico parental, en comparación con su expresión cuando se introgresaron en el fondo hexaploide sintético. La distribución de HEB para los otros siete tejidos para SHW-C66 se proporciona en las Figs. complementarias. 2–8.

( a, c, e ) Comparación del sesgo de expresión de las tríadas hacia los genomas AB y D de padres tetraploides (PI377655) y diploides (AS2386); ( b, d, f ) Comparación del sesgo de expresión de las tríadas hacia los subgenomas AB y D de SHW-C66; (a, b) disparar; (c, d) Antera madura justo antes de la dehiscencia; (e, f) Pistilo cuando las anteras son verdes e inmaduras. Las barras azul marino y naranja oscuro representan las tríadas que muestran un sesgo de expresión significativo hacia los subgenomas AB y D, respectivamente.

En el escenario in-silico predicho sin interacción, la proporción de tríadas sesgadas hacia el genoma D fue al menos 1,5 veces (LogFC 0,6) mayor que las sesgadas hacia el genoma AB, como se observó en el tejido del brote de SHW-C45, y más. a 27 veces (LogFC 4.8) más alto, como se observa en la cabeza en el tejido de la etapa de arranque de SHW-C66 (Fig. 3). Sin embargo, este número se redujo drásticamente en el fondo hexaploide real y un número casi igual de tríadas estaba sesgado hacia los subgenomas de ambos padres (AB y D). Por el contrario, las tríadas que muestran un sesgo de expresión en la dirección opuesta, es decir, sesgadas hacia el genoma AB aumentaron en la mayoría de los tejidos en los SHW, observándose el HEB más pronunciado en la línea SHW C44 (Fig. 3).

Las proporciones se representan como valores de cambio de pliegue logarítmico (LogFC). Un LogFC < 0 indica que más tríadas están sesgadas hacia el subgenoma AB que el subgenoma D y un LogFC > 0 indica que más tríadas están sesgadas hacia el subgenoma D que hacia el subgenoma AB, dentro de un fondo genómico. C44, C45, C65 y C66 son los cuatro ACS tomados para el estudio. Las barras verdes representan las proporciones en el fondo genómico parental y las barras azules representan el fondo genómico SHW. Pistil-1DAA pistilo-un día después de la antesis, Pistil-AM pistilo-cuando las anteras están en etapa madura, Pistil-AI pistilo-cuando las anteras están en etapa inmadura, Boot head en etapa de inicio.

El análisis de las tendencias dentro del mismo fondo del subgenoma reveló que las tríadas sesgadas hacia el subgenoma AB eran más numerosas en el estado hexaploide en comparación con el estado parental (Fig. 4). Todos los tejidos de SHW-C44 tenían una mayor proporción de tríadas que mostraban un sesgo de expresión hacia el subgenoma AB, con hasta 7,9 veces (LogFC 2,98) más tríadas sobreexpresadas en el tejido del hipocótilo. En las otras tres líneas SHW, el aumento de las tríadas sesgadas hacia el subgenoma AB fue de hasta 5,2 veces (cabeza en la etapa de arranque de C66; LogFC 2,37). La proporción de tríadas sesgadas hacia el subgenoma D se redujo en más de ocho veces según se detectó en múltiples contextos de tejido SHW.

Las proporciones se presentan como valores de cambio de pliegue logarítmico (LogFC). Un LogFC > 0 indica que más tríadas están sesgadas hacia el subgenoma AB en el fondo SHW que el fondo parental y un LogFC < 0 indica que más tríadas están sesgadas hacia el subgenoma AB en el fondo parental que el SHW, de manera similar para el subgenoma D. C44, C45, C65 y C66 son los cuatro SHW utilizados para el estudio. Las barras azul marino y naranja oscuro representan las tríadas que muestran un sesgo de expresión significativo hacia los subgenomas AB y D, respectivamente. Pistil-1DAA pistilo-un día después de la antesis, Pistil-AM pistilo-cuando las anteras están en etapa madura, Pistil-AI pistilo-cuando las anteras están en etapa inmadura, Boot head en etapa de inicio.

La magnitud promedio de los valores de HEB para las tríadas sesgadas AB y D para los escenarios de antecedentes parentales y SHW se resumen en la Tabla 5 complementaria. verde e inmaduro) a −4.37 (C44—hipocotilo), en el fondo SHW. La magnitud de HEB de las tríadas sesgadas de AB varió de -1,22 (C65: cabeza en la etapa de inicio) a -3,56 (C66: cabeza en la etapa de inicio), en el entorno parental. De manera similar, la magnitud de los valores HEB de las tríadas con sesgo D se extendió desde 1,16 (C44: pistilo cuando las anteras son verdes e inmaduras) a 3,12 (C45: gluma), en el fondo de SHW, y de 1,32 (C45: cabeza en la etapa de arranque) a 4,66 (C45—disparar), en segundo plano parental. La magnitud promedio de los valores HEB de las tríadas con sesgo AB fue más alta que las de las tríadas con sesgo D en todos los escenarios de tejido SHW, excepto en el fondo C65 SHW en pistilo cuando las anteras son verdes e inmaduras. Sin embargo, no se observó un patrón fijo en los antecedentes de los padres (Tabla complementaria 5).

También se analizó el subconjunto de tríadas que muestran patrones de sesgo de expresión similares en diferentes líneas SHW. Las intersecciones entre las cuatro líneas SHW y entre las líneas SHW que comparten padres tetraploides o diploides comunes se representan en la Fig. 5 para el tejido del brote. La intersección más grande representó el subconjunto que no mostró un sesgo significativo en las cuatro líneas SHW, y esto fue cierto en los diez tejidos (Fig. 5; Figs. complementarias 9-17). El tejido del brote tenía el subconjunto más pequeño de tríadas que mostraban un sesgo de expresión significativo similar hacia los subgenomas AB (228 tríadas) y D (242 tríadas), en las cuatro líneas SHW (Fig. 5). La intersección más grande entre las líneas SHW se encontró en el pistilo cuando las anteras son verdes e inmaduras (Fig. 15 complementaria) y el pistilo, un día después de la antesis, para las tríadas con polarización AB (1281) y polarización D (1066), respectivamente ( Figura complementaria 9).

Las barras horizontales grises debajo del tamaño del conjunto correspondiente a C44AB indican el número de tríadas sesgadas hacia el subgenoma AB en el SHW-C44; C44D indica el número de tríadas sesgadas hacia el subgenoma D en SHW-C44; C44UN indica el número de tríadas que no muestran un sesgo significativo en el SHW-C44; Del mismo modo, para ACS C45, C65 y C66. Las barras verticales debajo del tamaño de la intersección indican el número de tríadas que muestran patrones de expresión similares entre conjuntos. Los puntos negros resaltan los dos conjuntos SHW comparados para la intersección correspondiente. El número sobre las barras representa el número de tríadas que muestran un patrón de expresión similar. Los conjuntos de tríadas que muestran un sesgo significativo hacia los subgenomas AB o D y aquellos que no muestran ningún sesgo significativo se resaltan con rectángulos azules, verdes y marrones, respectivamente.

De las 18 357 tríadas analizadas para el patrón de expresión, del 69 % al 73 % no estaban compuestos por ningún homólogo específico de tejido, en las cuatro líneas SHW (Tabla complementaria 6). Las siguientes fracciones más grandes fueron tríadas en las que los tres homólogos mostraban la misma expresión específica de tejido (8 % a 11 %) y tríadas en las que solo un homólogo mostraba especificidad de tejido y los otros dos tenían una expresión más amplia (7 % a 12 %). Además, había más tríadas con dos homólogos que mostraban especificidad de expresión hacia el mismo tejido y un homólogo expresado ampliamente, que un solo homólogo que mostraba especificidad de expresión en otro tejido (Tabla complementaria 6).

Se observó una constitución similar en contextos de tejido SHW individuales, más comúnmente, con solo uno de los tres homólogos siendo específico de tejido o los tres homólogos mostrando especificidad de tejido (Tabla complementaria 7). Las tríadas con dos de los tres homólogos solos mostrando especificidad de tejido fueron las más bajas en número entre los diez tejidos en las cuatro líneas SHW. En los tejidos de la raíz y las anteras maduras, el subconjunto de tríadas compuesto por todos los homólogos que mostraban especificidad tisular fue mayor en las cuatro líneas SHW. De los subconjuntos más grandes de tríadas con los tres homólogos mostrando la misma especificidad de tejido, 455 tríadas en la raíz eran comunes entre las cuatro líneas SHW. Cuando los homólogos de estas tríadas se sometieron a un análisis de ontología génica para comprender el enriquecimiento funcional, los términos del proceso biológico, incluida la regulación de la morfogénesis de la raíz y la regulación del crecimiento del meristema de la raíz, se enriquecieron en la raíz. En las anteras maduras, este número fue 427 y se enriquecieron los términos del proceso biológico que incluyen la germinación del polen, la diferenciación de las células espermáticas del polen, el crecimiento del tubo polínico y el ensamblaje de la pared del polen.

Una gran cantidad de tríadas, compuestas por uno, dos o tres homólogos específicos de tejido, no mostraron un sesgo de expresión significativo, similar a la observación en todo el conjunto de datos de la tríada. Cuando se interrogaron específicamente las tríadas que mostraban sesgo AB y D y sus patrones de especificidad tisular, se observó una fuerza de asociación moderada con el estadístico V de Cramer que oscilaba entre 0,20 y 0,57 entre el patrón de sesgo y la especificidad tisular de los homólogos en la mayoría de los tejidos en todos los tejidos. cuatro líneas de ACS. Por ejemplo, más tríadas mostraron un sesgo del subgenoma D cuando el homólogo D solo era específico de tejido, se observó un mayor número de tríadas con sesgo AB cuando los homólogos A y B mostraron especificidad de tejido, y se observaron más tríadas con sesgo D cuando A y D o los homólogos B y D solos mostraron especificidad de tejido, en la mayoría de los contextos de tejido SHW. Sin embargo, con base en la prueba de independencia de Chi-cuadrado, la asociación entre el sesgo de expresión y la especificidad tisular fue significativa solo en los tejidos maduros de anteras, raíz e hipocótilo en las cuatro líneas SHW, y C66 mostró una asociación significativa adicionalmente en pistilo, un día después de la antesis, pistilo-cuando las anteras son verdes e inmaduras y C44 muestra una asociación significativa en todos los tejidos. Aunque el grado de asociación observado fue moderado, no se puede descartar la relación entre la especificidad tisular de los homeólogos y el sesgo de expresión.

Para validar los patrones observados en genomas más estabilizados, se analizó el sesgo de expresión en líneas de trigo que se sometieron a procesos de domesticación y mejoramiento utilizando los datos de RNA-seq disponibles públicamente para la raza local Chinese Spring y el cultivar Azhurnaya de Ramírez-Gonzalez et al. 36. El número de HEB y la magnitud de los sesgos de expresión fueron mucho menores en estos genotipos en comparación con las líneas SHW (Fig. 6). En Azhurnaya, de 2087 a 4244 tríadas estaban sesgadas hacia el subgenoma AB y de 2032 a 3739 tríadas estaban sesgadas hacia el subgenoma D, en los tejidos informados en la Fig. 6. En Chinese Spring, de 874 a 4512 tríadas estaban sesgadas hacia el subgenoma AB y de 812 a 3821 tríadas estaban sesgadas hacia el subgenoma D, en los cinco tejidos utilizados en el análisis. La magnitud de los sesgos fue menor en las dos líneas de trigo domesticado en comparación con las líneas SHW de nueva creación.

Las proporciones se representan como valores de cambio de pliegue logarítmico (LogFC) representados por las barras azules. Un LogFC < 0 indica que más tríadas están sesgadas hacia el subgenoma AB que el subgenoma D y un LogFC > 0 indica que más tríadas están sesgadas hacia el subgenoma D que hacia el subgenoma AB.

La influencia de los procesos de domesticación y reproducción en los patrones HEB de las tríadas se analizó utilizando los resultados de SHW, Chinese Spring y Azhurnaya. Tres de nuestros tejidos SHW podrían coincidir con las etapas de desarrollo de las muestras en Ramírez-Gonzalez et al.36, a saber, los pistilos cuando las anteras están maduras, la raíz y la cabeza en la etapa de arranque, y se usaron en este análisis. La mayoría de las tríadas (29–55 %) mantuvieron patrones de sesgo de expresión similares en el trigo resintetizado, la raza local (primavera china) y el cultivar (Azhurnaya) en los tres tejidos (Fig. 18 complementaria). Solo entre el 9% y el 14% mostró patrones de sesgo similares en SHW y Chinese Spring, y pasó a un estado de sesgo diferente en Azhurnaya, lo que posiblemente refleja el impacto de una selección rigurosa. Además, entre el 9% y el 30% de las tríadas, según los diferentes escenarios de tejido SHW, mostraron una reversión al estado de sesgo SHW en Azhurnaya (Fig. 18 complementaria). Teniendo en cuenta las diferencias HEB para las tríadas entre las líneas SHW, también investigamos específicamente el subconjunto de tríadas que muestran patrones de sesgo similares en las cuatro líneas SHW. La mayor proporción de tríadas en este subconjunto retuvo los mismos patrones de sesgo de expresión en SHW, Chinese Spring y Azhurnaya, y la segunda proporción más grande mostró patrones similares en SHW y Azhurnaya y no en Chinese Spring, lo que indica la inversión de los patrones de sesgo durante el cultivo. mejora. El conjunto de tríadas que muestra cambios de patrones similares, incluidos Chinese Spring y Azhurnaya, fue el más pequeño.

El análisis de la expresión de HEB en diez tejidos diferentes permitió la investigación de los patrones de sesgo de las tríadas en los tejidos, es decir, a lo largo de las etapas de desarrollo. En las cuatro líneas SHW, el patrón más grande observado fueron las tríadas que no mostraban un sesgo significativo en ningún tejido. Hubo entre 1449 y 3014 tríadas en las líneas SHW que mostraron este patrón (Fig. 7, Fig. 19 complementaria). En las cuatro líneas SHW, la siguiente tendencia de sesgo más comúnmente observada fue donde las tríadas no mostraron un sesgo significativo en ninguno de los tejidos, pero estaban sesgadas hacia los subgenomas AB o D solo en los tejidos maduros de la antera (Fig. 7, Fig. 19). Los patrones que muestran solo un sesgo significativo en uno de los tejidos, como el pistilo: un día después de la antesis, el pistilo cuando las anteras son verdes e inmaduras y la raíz, se observaron en múltiples tríadas. Además, había miles de patrones específicos de tríadas en los tejidos. También se observaron tendencias similares en Azhurnaya, y el subconjunto de tríadas que mostraban un sesgo significativo en los tejidos de las anteras era más grande, mientras que en la primavera china, las tríadas que mostraban un sesgo significativo solo en el tejido de las espigas eran comunes.

Gráficos aluviales que representan las tendencias de sesgo de expresión de las tríadas a través de los tejidos en (a) SHW-C66 (b) Landrace Chinese Spring y (c) Cultivar Azhurnaya; Sesgo AB (AB), representado por barras azul marino: tríadas significativamente sesgadas hacia el subgenoma AB; Sesgo D (D), representado por barras de color naranja oscuro: tríadas significativamente sesgadas hacia el subgenoma D; No expresado (NE), representado por barras verdes: los homólogos de las tríadas no están expresados; Imparcial (UN), representado por barras grises: no se observó un sesgo de expresión significativo.

Además, se investigó el análisis de expresión diferencial de todo el conjunto de genes entre los padres y los SHW. En el análisis se utilizaron los 106 913 modelos de genes de alta confianza identificados en el genoma del trigo hexaploide según la anotación IWGSC RefSeq v2.133. En los genes de los subgenomas A y B, solo unos pocos cientos hasta un máximo de 1015 genes estaban regulados a la baja en los SHW en comparación con sus padres tetraploides en SHW-C44 (Fig. 8). En contraste, más de 20,000 genes del subgenoma D estaban regulados a la baja en todos los SHW en comparación con sus padres diploides (Fig. 8). Lo que es más importante, en los tres subgenomas, solo de 357 a 755 genes y de 141 a 372 genes exhibieron regulación positiva en el estado hexaploide, en los subgenomas AB y D, respectivamente.

Las barras azules representan el número de genes regulados a la baja y las barras amarillas representan el número de genes regulados al alza.

Los datos de RNA-seq también se extrajeron para caracterizar las diferencias en los patrones de empalme en los diferentes niveles de ploidía para arrojar luz sobre las diferencias cualitativas entre las transcripciones. Este análisis capturó las variantes de empalme de todos los genes, ya sea que se expresaran diferencialmente o no. Se investigaron cinco tipos principales de eventos de empalme alternativo, a saber, exones mutuamente excluyentes (MXE), sitio de empalme 3 'alternativo (A3SS), sitio de empalme 5' alternativo (A5SS), intrón retenido (RI) y exón omitido (SE) (Fig. 9). Como ejemplo, el número de isoformas de ARN empalmadas alternativamente estadísticamente significativas detectadas en cada genotipo se ilustra para el tejido del brote en las facetas del gráfico de barras apiladas (Fig. 10a, b). El intrón retenido fue el evento de corte y empalme alternativo más común (34,2–79,5 %) y los exones mutuamente excluyentes fueron los menos detectados (0–7,3 %) en todos los escenarios. Las anteras maduras y el pistilo, cuando las anteras son verdes e inmaduras, mostraron los eventos de empalme menos alternativos en comparación con otros tejidos. El número de eventos de empalme alternativo detectados en los otros nueve tejidos se presenta en las Figs. complementarias. 20–28. Entre los múltiples eventos de empalme alternativo detectados, el 69% -78% correspondía a genes homólogos en tríadas (Fig. 10c y Figs. Suplementarias 20-28). En todas las comparaciones, se asociaron más eventos de empalme alternativo con los homólogos D, excepto en el tejido del brote de C45 frente a los padres, donde se asoció una proporción igual de eventos con los tres subgenomas (Fig. 10c y Figs. 20–28 complementarias). En general, se observó una represión cuantitativa a gran escala del subgenoma D en las líneas SHW según lo medido por los sesgos de expresión homólogos y los cambios cualitativos también fueron más prominentes en este subgenoma, como se ilustra por la representación más grande de eventos alternativos de empalme de ARN.

(a) Sitio de empalme 3' alternativo; (b) sitio de empalme 5' alternativo; (c) Exones mutuamente excluyentes; (d) intrón retenido; (e) Exón omitido. Las parcelas rojas representan el Ae. tauschii C26 padres transcritos y las gráficas amarillas representan los transcritos de la línea SHW C66.

(a) Padre diploide frente a línea SHW; (b) Progenitor tetraploide frente a SHW. MXE exones mutuamente excluyentes, empalme 3' alternativo A3SS, empalme 5' alternativo A5SS, intrón retenido RI, exón omitido SE, LA Langdon, PI PI377655; ( c ) Proporción de eventos de empalme alternativos que involucran a los homólogos en tríadas y otros genes.

El proceso de introgresión de nuevos alelos y haplotipos deseables que subyacen a los fenotipos de padres genéticamente diversos, conocido como premejoramiento, es una estrategia viable para desarrollar cultivares con mejores características agronómicas, de calidad y de resistencia a enfermedades, incluidas características de resiliencia climática. Sin embargo, las hibridaciones entre padres diversos a menudo dan como resultado una penetración y expresividad deficientes de los rasgos provenientes de padres donantes. Se están generando SHW para acceder a la diversidad genética presente en Ae. tauschii (donante del genoma D) para superar este cuello de botella de diversidad alélica del trigo harinero, en el que se informó una recuperación deficiente de los rasgos parentales cuando su fondo genómico cambia de diploide (DD) a hexaploide (AABBDD)19. Por lo tanto, se necesita una comprensión crítica del impacto de la poliploidización en todo el genoma de las especies cultivadas para diseñar estrategias que mejoren el potencial del premejoramiento. En este estudio, investigamos y desentrañamos las alteraciones del nivel de expresión global en las líneas SHW y sus correspondientes progenitores tetraploides y diploides para representar la dinámica del transcriptoma que tiene lugar durante los eventos iniciales de poliploidización. Los cuatro padres utilizados en el estudio eran diversos en origen geográfico. Específicamente, T. turgidum cv. Langdon es de América del Norte (Langdon) y PI377655 es de la antigua Yugoslavia, mientras que Ae. tauschii AS2386 y AS2399 son de Irán37,38. Las plantas SHW primarias utilizadas en el experimento se habían autofecundado durante al menos cuatro generaciones; estas autofecundaciones facilitaron potencialmente la estabilización del genoma en comparación con los poliploides39 nacientes, lo que permitió la captura de variaciones transcriptómicas hereditarias.

Los conjuntos de genes de la tríada (genes presentes en condiciones 1:1:1 en los cromosomas homeólogos ABD) forman la porción vital del genoma del trigo y desempeñan funciones funcionales clave, mientras que los genes presentes como otras variaciones del número de copias del homeólogo realizan otras funciones40. En los diez tejidos distintos desde el punto de vista del desarrollo en las cuatro líneas SHW, la mayoría de los genes del subgenoma D se suprimieron en los SHW, en comparación con sus niveles de expresión parentales. Li et al.41 en su análisis del transcriptoma del trigo resintetizado, también han mostrado el cambio en la dominancia de la expresión al comparar los estados parental y hexaploide. Se han observado cambios en el sesgo de expresión entre homólogos tras la duplicación del genoma completo en otros cultivos alopoliploides tras la resíntesis, incluso en colza42 y algodón43, lo que refleja también el predominio del subgenoma en estas especies. Sin embargo, en el trigo harinero se propuso que prevalece un equilibrio entre los subgenomas, sin dominancia de subgenomas34,40. No obstante, se ha informado que la dominancia dependiente del tejido, la etapa de crecimiento y las señales ambientales es la causa del proceso de desarrollo y las adaptaciones ambientales44,45. En este estudio, basado en las observaciones en las líneas SHW, el dominio del nivel de expresión en los estados parentales se reduce por poliploidización, navegando el proceso evolutivo hacia el logro de un alohexaploide equilibrado en general, mientras que la variabilidad específica del homólogo se capitaliza por el desarrollo o ambiental. requisitos En los genotipos de trigo domesticados, se encontró que la expresión de los homólogos D estaba menos reprimida que la de los homólogos A y B36,40. Por lo tanto, se puede considerar que el efecto represivo inicial a gran escala sobre los homólogos D es establecer un equilibrio en la expresión entre genomas derivados de diferentes padres (AB y D), y no para la subyugación del subgenoma D. Además, los patrones de sesgo de expresión establecidos en los poliploides recién sintetizados se mantienen durante varias generaciones a través de los procesos de domesticación y reproducción, como se observa en los datos de RNA-seq de genomas más estabilizados, como Chinese Spring (una raza autóctona) y Azhurnaya (una variedad). , procedente de las bases de datos de código abierto correspondientes a Ramírez-Gonzalez et al.36. Por lo tanto, los nuevos patrones de expresión iniciales (represión del subgenoma D) observados en el trigo hexaploide recién sintetizado se estabilizan y se heredan a lo largo de múltiples generaciones.

Los eventos de poliploidización implican la reorganización del genoma y pueden alterar la dosis de genes inmediatamente después de la duplicación o durante un largo período de tiempo (escala de un millón de años) durante la evolución46. Aquí mostramos los efectos instantáneos (dentro de cinco generaciones de autofecundación desde el cruce inicial) de poliploidización en trigo hexaploide. El cambio en el equilibrio de la expresión se puede atribuir a la dosis de genes (copias de alelos) porque la estequiometría biológicamente significativa de los complejos de macromoléculas y los genes reguladores que afectan a los loci río abajo son fundamentales para la aptitud de un organismo47. La diferencia entre el sesgo de expresión de los mismos conjuntos de genes entre tejidos puede atribuirse a la contribución de expresión de los duplicados que pueden diferir en un patrón específico de tejido, especialmente en las células reproductivas48,49. En particular, cinco de los diez tejidos utilizados en el estudio posiblemente tenían una fracción más alta de células gametofitas haploides, lo que se conoce como grupo reproductivo. En otra dimensión, los eventos de poliploidización aumentan la complejidad de la red reguladora de genes, a través de la introducción de mecanismos transreguladores intergenómicos50. Esto podría resultar en una expresión homoeoalélica específica como se observó en estudios previos en trigo45 (2n = 6x = 42), caña de azúcar de alta ploidía51 (2n = 8x–12x = 80–120) y maní52 (2n = 4x = 40). Además, el estado de desarrollo individual de la planta y el genotipo también pueden tener una influencia sobre la especificidad del alelo51,53, lo que explica aún más la variación de la expresión de homoeoalelo en los diez tejidos distintos en el desarrollo y las cuatro líneas SHW genéticamente diferentes utilizadas en nuestra investigación.

La dinámica de la expresión génica es el componente de traducción que vincula la variación fenotípica observada y su genotipo subyacente. Varias tríadas que muestran patrones de sesgo de expresión similares en SHW, Chinese Spring y Azhurnaya, indican que este subconjunto no se ve afectado por la selección artificial. Las otras tríadas que tienen patrones HEB alterados en los antecedentes de trigo elite, domesticado y resintetizado, implican la selección de patrones de sesgo de expresión específicos durante la domesticación y la mejora del cultivo, que están potencialmente acoplados a otros genes que regulan las características del trigo harinero moderno. La limitación de esta comparación es que las líneas SHW utilizadas en el estudio no son progenitores directos ni de Chinese Spring ni de Azhurnaya y los datos de expresión provienen de diferentes estudios. Por lo tanto, un mayor interrogatorio con múltiples razas locales de trigo y cultivares de trigo de élite arrojará más luz sobre la selección de HEB.

Mientras investigaba las tendencias de sesgo de las tríadas en los tejidos, el número de tríadas que mostraban un patrón de expresión imparcial en todos los tejidos era el más grande, lo que se alineaba con la observación de que los principales subconjuntos de tríadas no mostraban un sesgo significativo en las cuatro líneas SHW en los diez tejidos. El HEB específico para la respuesta al estrés biótico45 y abiótico54 se ha informado en trigo y algodón alopoliploide. Los resultados de este estudio, que muestran la preponderancia de las tendencias de sesgo específicas de la tríada en las etapas de desarrollo, sugieren la variabilidad espacial y temporal de HEB, lo que lleva a diferentes tendencias de sesgo a lo largo de las etapas de desarrollo, además de patrones de respuesta al estrés. En algodón alopoliploide, un estudio que analizó el desarrollo de la fibra reveló los cambios en la arquitectura de la cromatina en las diferentes etapas de desarrollo y su influencia en las redes reguladoras de genes (GRN) que conducen a HEB55. Esto destaca el papel potencial de la variación dinámica en la arquitectura de la cromatina 3D para generar diferencias espaciotemporales en HEB. Además, esto también transmite cómo la expresión plasticidad en alopoliploides se aprovecha a lo largo del desarrollo.

Más allá del efecto de los estresores ambientales sobre el sesgo de expresión, también se ha informado la variabilidad en el sesgo de expresión en los diferentes tejidos en varias especies alopliploides, como la colza56, el algodón57, el café58 y el trébol blanco59. Trabajos previos en trigo hexaploide también han demostrado que las tríadas con patrones variados de sesgo de expresión en los tejidos son más específicas de tejido36. En este estudio que utiliza transcriptomas SHW, la asociación moderada entre el sesgo de expresión de homoeólogos y la especificidad de tejido de los homólogos en las tríadas aclara el papel potencial de la especificidad de expresión de los homólogos en la conducción de la dirección de los sesgos de expresión. Por lo tanto, el tejido, la etapa de desarrollo, las señales ambientales y el genotipo parental determinan los patrones de sesgo de las tríadas mediante la explotación de la plasticidad adicional en los genomas de trigo hexaploide en comparación con sus progenitores tetraploides y diploides.

Además de la comparación de los patrones de expresión entre los homoeoalelos, el análisis de expresión diferencial a nivel del genoma completo entre los padres y las líneas SHW realizado para caracterizar los cambios de expresión de los genes entre diferentes antecedentes genómicos, reveló la represión a gran escala de los genes del subgenoma D. . La introgresión de segmentos cromosómicos de especies en los acervos genéticos secundarios y terciarios ha resultado en cambios transcriptómicos tanto en el trigo60,61,62,63 como en otras especies poliploides64,65. Específicamente, el análisis transcriptómico de las líneas de introgresión de trigo x Ambylopyrum muticum indicó la expresión suprimida de genes en los segmentos de introgresión60. De manera similar, una mayor proporción de genes en la región de introgresión se redujeron en los estudios de expresión de líneas de adición de trigo y cebada61. La introgresión de segmentos de cromatina extraños en una especie conduce a la supresión de transcripciones extrañas por parte del genoma huésped; aunque aún no está claro cómo el genoma del huésped distingue el genoma extraño. Combinando el genoma D de Ae. tauschii con el genoma AB en T. turgidum da como resultado respuestas análogas, lo que sugiere que el genoma AB actúa como el genoma nativo y el genoma D como la cromatina foránea introducida en los SHW.

El resultado de un evento de poliploidización a nivel genómico y, en consecuencia, a nivel fenotípico depende de los antecedentes genéticos de las líneas involucradas en el evento de hibridación66,67. La evaluación de múltiples líneas SHW derivadas de diversas accesiones tetraploides y diploides mostró una variabilidad en la respuesta a la infección por FHB, que no podía preverse en función de las respuestas de FHB del progenitor68. Se ha observado una variabilidad similar basada en efectos genotípicos de fondo para rasgos relacionados con el rendimiento de líneas de trigo con introgresiones de centeno69.

Las diferencias en el nivel de expresión de la poliploidización para lograr el equilibrio de dosis, para establecer la expresión específica de homoelolelo o para exhibir efectos de fondo genómicos, son potencialmente la manifestación de los cambios genéticos y epigenéticos que ocurren con la poliploidización. El análisis a nivel cromosómico de líneas sintéticas y sus progenitores tetraploides y diploides utilizando técnicas de citogenética molecular ha mostrado diferencias estructurales en las regiones de cromatina70, y el análisis a nivel de secuencia del genoma también ha revelado resultados similares71,72. Desde una perspectiva epigenética, los microARN (miARN), los actores clave en la regulación génica postranscripcional, se expresaron de manera no aditiva en trigo resintetizado41. La expresión modificada de los miARN posiblemente subyace al cambio descendente en el sesgo de expresión y la represión en los datos del ARNm. Pequeños RNAs de interferencia (siRNAs) derivados de moléculas de RNA de doble cadena estuvieron involucrados en la metilación de secuencias de DNA, específicamente elementos transponibles, y también en el establecimiento de marcas represivas de heterocromatina73. Comparación de un trigo hexaploide recién sintetizado y su Ae. tauschii parental reveló una mayor acumulación de siRNA en los homólogos D en el hexaploide, en contraste con las observaciones en T. turgidum frente a los subgenomas hexaploide A41. La mayor acumulación de siRNA podría ser la causa subyacente de la represión de los homeólogos D en los hexaploides41. La metilación del ADN es una característica epigenética para la regulación de la expresión génica y la estabilidad del genoma a través del silenciamiento de elementos transponibles (TE). Los cambios en el nivel de ploidía impulsan la modificación de los patrones de metilación en los contextos de secuencia CG, CHG y CHH en el trigo, lo que también involucra a los TE. Dado que los TE ocupan la mayor parte del genoma del trigo, dicha reprogramación epigenética de la fracción TE modula la expresión de genes en su vecindad porque los TE albergan motivos promotores y potenciadores74,75. Entre las múltiples marcas de histonas en el genoma, se encontró que un aumento de las dimetilaciones represivas de histona-3 lisina-27 (H3K27me2) se correlacionó positivamente con el aumento de la ploidía en el trigo76. Además, las marcas H3K27me3 subyacen a la actividad específica del subgenoma de los elementos reguladores77, y la introducción del subgenoma D desencadena distintas modificaciones de histonas y las consiguientes interacciones reguladoras entre subgenomas29. La accesibilidad a la cromatina, que está controlada por la asociación entre los factores de transcripción y los nucleosomas, es menor en el subgenoma D de los hexaploides en comparación con Ae. tauschii, lo que también conduce a una gran reducción en la expresión génica78. Además de estos cambios genéticos y epigenéticos, la alteración de la arquitectura de la cromatina tras la poliploidización también justifica la investigación en el trigo hexaploide. Por ejemplo, se han informado cambios en los dominios asociados topológicamente (TAD) y la compartimentación A/B en otras especies de cultivos poliploides como la sandía79 y el algodón80.

Después de la transcripción del gen, los ARNm precursores se modifican utilizando la maquinaria de corte y empalme para producir ARN maduros. Durante este proceso, la maquinaria de splicing puede retener diferentes combinaciones de intrones y exones mediante splicing alternativo (AS). Este mecanismo AS puede diversificar los productos de transcripción y traducción de un gen, alterando así su función en los marcos de desarrollo del espacio (diferentes tejidos) y el tiempo (etapas vegetativas frente a reproductivas)81. Hay isoformas específicas de tejido y eventos de AS inducidos por estrés abiótico82 y biótico83. Sin embargo, el impacto de la poliploidización y el choque genómico resultante en AS solo se han investigado recientemente. En un estudio de trigo hexaploide y sus padres y parientes tetraploides y diploides, Yu et al.84 también encontraron que el intrón retenido era el mecanismo AS más común observado. El predominio de la retención de intrones se ha observado en especies de plantas, incluidas Arabidopsis85, arroz, sorgo y maíz86 y algodón87. La influencia de la poliploidización en los eventos de empalme diferencial se ha observado en colza alopoliploide, junto con diferencias específicas de homeología en AS88. La caracterización de AS en el transcriptoma derivado de tejidos de embriogénesis en trigo y sus progenitores tuvo una preponderancia de eventos alternativos de corte y empalme en 3', sin embargo, la diferencia se ha atribuido a la especificidad del evento AS de la herramienta de análisis y el porcentaje de corte y empalme en los umbrales utilizados89.

En conclusión, el análisis de la dinámica del transcriptoma global en los SHW en comparación con sus padres tetraploides y diploides reveló un sesgo de expresión entre los homólogos que resultó en la supresión a gran escala del subgenoma D en los SHW, como se deduce de más de 18 000 tríadas y la expresión de diez tejidos. Los cambios cualitativos observados entre las transcripciones en forma de nuevas variantes de empalme tras la poliploidización también afectaron en gran medida a los homólogos del genoma D. Estos cambios de expresión cuantitativos (abundancia de transcritos) y cualitativos (variantes de empalme) parecen depender de la composición genómica de los padres y la etapa de desarrollo (tejidos) de las líneas de trigo. Para aprovechar la diversidad genética disponible en los progenitores del genoma D (Ae. tauschii) y otros parientes silvestres para el mejoramiento del trigo mediante hibridación interespecífica, se debe tener en cuenta la potencialidad de la expresión modificada en la progenie para recuperar el fenotipo deseado en el fondo poliploide.

Se utilizaron cuatro líneas SHW (C44, C45, C65 y C66) y sus dos progenitores tetraploides (PI377655–C16, Langdon–C19) y dos diploides (AS2386–C26, AS2399–C30), para un total de ocho genotipos. estudio (Tabla complementaria 1). Las siguientes diez muestras de tejido (Fig. 1 complementaria) se recolectaron de las ocho líneas mencionadas anteriormente: (1) cabeza en la etapa de arranque, (2) brote recolectado en el encabezado, (3) lemma y palea en el encabezado, (4) gluma de primer y segundo flósculo de una espiga, (5) pistilo: cuando las anteras son verdes e inmaduras, (6) pistilo: cuando las anteras son amarillas y justo antes de la dehiscencia, (7) pistilo: un día después de la antesis, (8) antera amarilla justo antes de la dehiscencia, (9) hipocótilo y (10) raíz, donde los dos últimos tejidos se recolectaron de plántulas jóvenes cultivadas en papeles de filtro Whatman. En el estudio se utilizaron tres réplicas biológicas por tejido de los ocho genotipos (diez tejidos × ocho genotipos × tres réplicas = 240 muestras).

Se usó el RNeasy Plant Mini Kit (Qiagen Inc., Germantown, MD, EE. UU.) para todos los tejidos excepto para la antera madura y el pistilo cuando las anteras son verdes e inmaduras, que se aislaron usando el mini kit miRNeasy (Qiagen Inc). Los ARN extraídos se cuantificaron inicialmente con el nanofotómetro Implen (Implen Inc, Westlake Village, CA, EE. UU.) y la calidad y la concentración se evaluaron con el ensayo Agilent RNA 6000 Nano (Agilent Technologies, Santa Clara, CA, EE. UU.). La construcción de bibliotecas de cDNA y la secuenciación se llevaron a cabo en el Centre d'expertise et de services Génome Québec (Montreal, QC, Canadá). Brevemente, el enriquecimiento de ARNm se realizó con el módulo de aislamiento magnético NEBNext Poly(A) (New England BioLabs, Ipswich, MA, EE. UU.), seguido de la síntesis de ADNc y la preparación de la biblioteca con los módulos NEBNext RNA First Strand Synthesis, NEBNext Ultra Directional RNA Second Strand Synthesis y el kit de preparación de bibliotecas de ADN NEBNext Ultra II (New England BioLabs). Las bibliotecas se cuantificaron con el kit de ensayo PicoGreen dsDNA y la calidad se analizó con LabChip GX (PerkinElmer, MA, EE. UU.). Las bibliotecas normalizadas se agruparon en un Illumina cBot y se generaron lecturas de extremos emparejados de 100 pb en una plataforma HiSeq 4000 (Illumina Inc., CA, EE. UU.) para las anteras maduras y los pistilos recolectados cuando las anteras aún eran inmaduras, es decir , antes de la polinización. Los otros ocho tejidos se secuenciaron como lecturas de extremos emparejados de 150 pb en la plataforma NovaSeq 6000 (Illumina Inc.).

Las lecturas de secuenciación se preprocesaron usando Trimmomatic90 y se alinearon con la versión actualizada recientemente de las pseudomoléculas del genoma del trigo harinero (RefSeq v2.1; Annotation v2.1)33 usando Spliced ​​Transcripts Alignment to a Reference (STAR)91, después de la indexación del genoma, con la longitud máxima de intrones establecida en 10.000 pb, el número máximo de desajustes permitidos en seis y los demás parámetros dejados en su configuración predeterminada.

En el genoma del trigo harinero, cerca del 35% de los genes están presentes como tríadas, con una copia homóloga en cada uno de los subgenomas (1:1:1 en A:B:D)34. Se identificaron un total de 18 474 tríadas utilizando la anotación Refseq v1.0. Sin embargo, después de tener en cuenta las revisiones realizadas en la anotación Refseq v2.1, se utilizó un conjunto de 18 357 tríadas, compuestas por modelos de genes anotados con alta confianza33,34, para este estudio de transcriptomas comparativos. Se generó una matriz de expresión a partir de los datos de recuento de genes, y los valores de lecturas por kilobase por millón de lecturas mapeadas (RPKM) se estimaron a partir de los datos de recuento sin procesar mediante la función rpkm en edgeR92. El sesgo de expresión homólogo (HEB), que representa el número de sesgos de pliegues y su dirección, se estimó utilizando la siguiente fórmula35.

Donde, RPKMAB y RPKMD representan los valores de expresión de los subgenomas AB y D, respectivamente. Para los valores de expresión de RPKM del subgenoma AB, se utilizó el promedio entre los niveles de expresión de los homólogos A y B de un conjunto de genes de la tríada, considerando los niveles de expresión equilibrados de los homólogos A, B y D, y la diferencia en la longitud del gen. se explica por la normalización.

Además, se aplicó la prueba de razón de verosimilitud desarrollada en MATLAB por Smith et al.35 y utilizada por primera vez en Edger et al.93 para identificar las tríadas que mostraban un sesgo significativo hacia los genomas tetraploide (AABB) o diploide (DD). Se realizaron pruebas de razón de verosimilitud utilizando los datos de expresión de las líneas SHW, así como los datos de sus padres tetraploides y diploides correspondientes, creando un SHW in-silico sin interacciones entre subgenomas, para determinar el cambio en el sesgo de expresión tras la poliploidización. Los pasos de preparación de entrada aguas arriba y resumen aguas abajo se realizaron con scripts personalizados en bash y R. Para investigar los patrones de sesgo de genes específicos de tejido y ampliamente expresados, se utilizó el método Tau94 para todos los genotipos con un límite de 0,8 . La fuerza de la asociación entre la especificidad tisular de los homólogos y el sesgo de expresión de las tríadas se estimó mediante el estadístico V de Cramer y la significación de la asociación se determinó mediante la prueba de independencia Chi-cuadrado. El análisis de ontología génica de los homólogos en tríadas de tejidos de raíz y anteras maduras con homólogos A, B y D que muestran la misma especificidad de tejido en las cuatro líneas SHW se realizó utilizando el kit de herramientas Triticeae-Gene Tribe95. Los scripts R utilizados para la preparación de archivos de entrada para LRT y análisis de especificidad de tejido están disponibles en https://github.com/akshaya-v/SHW-Expression-bias.

Para desentrañar el HEB en líneas de trigo domesticado, se descargaron los datos de RNA-seq de Ramírez-Gonzalez et al.36 para la raza local Chinese Spring y el cultivar Azhurnaya para los siguientes tejidos: Chines Spring: hoja (a los 14 días), raíz ( a los 14 días), ovario (antesis temprana), ovario (antesis tardía) y espiga (al arranque); Azhurnaya: estigma y ovario (antesis), glumas (etapa de grano de leche), antera (antesis), raíz (plántula), espiga (30 % de espiga). El procesamiento de lectura aguas abajo, la alineación y el análisis HEB se llevaron a cabo como se describe anteriormente para los SHW.

Los datos de conteo de lectura de los diez tejidos se agruparon en dos grupos: vegetativo (brote, raíz, hipocótilo, gluma y palea+lemma) y reproductivo (cabeza, pistilo—cuando las anteras son verdes, pistilo—cuando las anteras son amarillas, pistilo—uno día después de la antesis y antera amarilla justo antes de la dehiscencia). La lógica era agrupar los tejidos compuestos únicamente por células vegetativas en un grupo y los tejidos compuestos por células tanto vegetativas como reproductivas en otro grupo. El análisis de expresión diferencial en los dos grupos se realizó con el paquete estadístico edgeR92, y se aplicó una tasa de descubrimiento falso (FDR) de <0,05 y un límite de cambio de pliegue logarítmico (LogFC) de ±2,00 como umbrales para inferir genes expresados ​​diferencialmente.

El análisis de empalme alternativo se llevó a cabo utilizando rMATS96. Se utilizaron los archivos BAM generados con STAR. La opción de permitir recorte se habilitó para aceptar alineaciones con recorte suave. La detección de nuevos sitios de empalme que no están presentes en los archivos de anotación se permitió mediante la opción novelSS. El análisis de empalme alternativo se realizó para las ocho comparaciones posibles de SHW frente a padres diploides/tetraploides en los diez tejidos. Las parcelas de sashimi se realizaron utilizando rmats2sashimiplot97. El número y los tipos de isoformas empalmadas diferencialmente detectadas en los padres o las líneas SHW se resumieron para comparar. Los tipos de empalme alternativos fueron sitio de empalme 3' alternativo, sitio de empalme 5' alternativo, exones mutuamente excluyentes, intrón retenido y exón omitido.

Se utilizaron tres réplicas biológicas por tejido por genotipo. Había diez tejidos y ocho genotipos y, por lo tanto, había 240 muestras de tejido en total. La prueba de razón de verosimilitud para detectar HEB significativo se realizó con la hipótesis nula de que los homólogos muestran niveles iguales de expresión en los subgenomas AB y D, y la hipótesis alternativa de que los homólogos muestran niveles de expresión desiguales entre los subgenomas, como se describe en Smith et al.35 . El análisis de expresión diferencial se realizó con edgeR92 v3.38.4 con FDR < 0,05 y corte de logFC ± 2,00. El análisis de empalme alternativo se llevó a cabo con rMATS96 utilizando el límite de diferencia de empalme predeterminado de 0,01 %.

Más información sobre el diseño de la investigación está disponible en el Resumen de informes de Nature Portfolio vinculado a este artículo.

Los datos de RNA-seq sin procesar se han depositado en el archivo de lectura corta (SRA) en NCBI bajo Bioproject PRJNA905376. Los datos básicos para las cifras de HEB, las cifras de corte y empalme alternativo y los resultados de los análisis de especificidad de tejido están disponibles en Figshare (https://doi.org/10.6084/m9.figshare.c.6443621) (ref. 98).

El código fuente de los scripts R utilizados para preparar los archivos de entrada y todos los demás análisis se proporcionan en la sección Métodos.

De Storme, N. & Mason, A. Especiación de plantas a través de inestabilidad cromosómica y cambio de ploidía: mecanismos celulares, factores moleculares y relevancia evolutiva. actual Biol. vegetal 1, 10–33 (2014).

Artículo Google Académico

Cui, L. et al. Duplicaciones generalizadas del genoma a lo largo de la historia de las plantas con flores. Genoma Res. 16, 738–749 (2006).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Ren, R. et al. Las duplicaciones generalizadas del genoma completo contribuyen a la complejidad del genoma y la diversidad de especies en las angiospermas. mol. Planta 11, 414–428 (2018).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Salman-Minkov, A., Sabath, N. & Mayrose, I. La duplicación del genoma completo como factor clave en la domesticación de cultivos. Nat. Plantas 2, 16115 (2016).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Jiao, Y., Li, J., Tang, H. & Paterson, AH Los análisis sintéticos y filogenómicos integrados revelan una duplicación del genoma antiguo en las monocotiledóneas. Célula vegetal 26, 2792–2802 (2014).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Alix, K., Gérard, PR, Schwarzacher, T. & Heslop-Harrison, JS Poliploidía e hibridación interespecífica: socios para la adaptación, especiación y evolución en plantas. Ana. Bot. 120, 183–194 (2017).

Artículo PubMed PubMed Central Google Académico

Fawcett, JA, Maere, S. & Van de Peer, Y. Las plantas con genomas dobles podrían haber tenido una mejor oportunidad de sobrevivir al evento de extinción del Cretácico-Terciario. proc. Academia Nacional. ciencia Estados Unidos 106, 5737 (2009).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Doyle, JJ et al. Genética evolutiva de la fusión y duplicación del genoma en plantas. año Rev. Genet. 42, 443–461 (2008).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Van de Peer, Y., Ashman, T.-L., Soltis, PS & Soltis, DE Poliploidía: una fuerza evolutiva y ecológica en tiempos estresantes. Plant Cell 33, 11–26 (2021).

Artículo PubMed Google Académico

Huang, S. et al. Genes que codifican plástidos acetil-CoA carboxilasa y 3-fosfoglicerato quinasa del complejo Triticum/Aegilops y la historia evolutiva del trigo poliploide. proc. Academia Nacional. ciencia EE. UU. 99, 8133–8138 (2002).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Feuillet, C., Langridge, P. & Waugh, R. El cultivo de cereales da un paseo por el lado salvaje. Tendencias Genet. 24, 24–32 (2008).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Cox, TS Profundización del acervo genético del trigo. J. Producción de cultivos. 1, 1–25 (1997).

Artículo Google Académico

Él, F. et al. La secuenciación del exoma destaca el papel de la introgresión de parientes silvestres en la configuración del paisaje adaptativo del genoma del trigo. Nat. Gineta. 51, 896–904 (2019).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Akhunov, ED et al. Los mapas de diversidad de nucleótidos revelan la variación en la diversidad entre los genomas y cromosomas del trigo. BMC Genomics 11, 702 (2010).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Dempewolf, H. et al. Uso pasado y futuro de parientes silvestres en el mejoramiento de cultivos. Ciencia de cultivos 57, 1070–1082 (2017).

Artículo Google Académico

Ogbonnaya, FC et al. Hexaploides sintéticos: aprovechamiento de especies del acervo genético primario para el mejoramiento del trigo. Raza vegetal. Rev. 37, 35–122 (2013).

Artículo Google Académico

Mujeeb-Kazi, A., Gul, A., Farooq, M., Rizwan, S. & Ahmad, I. Renacimiento de hexaploides sintéticos con implicaciones globales para la mejora del trigo. agosto J. Agric. Res. 59, 391–398 (2008).

Artículo Google Académico

Mirzaghaderi, G. & Mason, AS Ampliación del genoma D del trigo harinero. teor. Aplicación Genet. 132, 1295–1307 (2019).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Dreisigacker, S. & Kishii, M. El uso de trigo hexaploide sintético en el Programa Global de Trigo del CIMMYT. CIMMYT https://repository.cimmyt.org/handle/10883/20692 (2019).

Hiebert, CW et al. La resistencia a la roya del tallo en el trigo es suprimida por una subunidad del complejo mediador. Nat. común 11, 1123 (2020).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Bai, D. & Knott, D. Supresión de la resistencia a la roya en el trigo harinero (Triticum aestivum L.) por los cromosomas del genoma D. Genoma 35, 276–282 (1992).

Artículo Google Académico

Yang, C. et al. Evolución de las respuestas fisiológicas al estrés salino en trigo hexaploide. proc. Academia Nacional. ciencia EE. UU. 111, 11882–11887 (2014).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Hong, Y. et al. La supresión de la transcripción de TaGW2 aumentó el ancho y el peso del grano en el trigo harinero. Func. Integrar Genómica 14, 341–349 (2014).

Artículo CAS Google Académico

Dubcovsky, J. & Dvorak, J. La plasticidad del genoma es un factor clave en el éxito del trigo poliploide bajo domesticación. Ciencia 316, 1862–1866 (2007).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Nieto Feliner, G., Casacuberta, J. & Wendel, JF Genómica de la novedad evolutiva en híbridos y poliploides. Frente. Gineta. 11, 792 (2020).

Artículo PubMed PubMed Central Google Académico

Levy, AA & Feldman, M. Reprogramación genética y epigenética del genoma del trigo tras la alopoliploidización. Biol. J. Linn. Soc. 82, 607–613 (2004).

Artículo Google Académico

Mimbre, T. et al. Impacto de los elementos transponibles en la estructura y evolución del genoma en trigo harinero. Genoma Biol. 19, 103 (2018).

Artículo PubMed PubMed Central Google Académico

Guo, X. & Han, F. Modificación epigenética asimétrica y eliminación de secuencias de ADNr por poliploidización en trigo. Célula vegetal 26, 4311–4327 (2014).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Lv, Z. et al. Conservación y transregulación de la modificación de histonas en los subgenomas A y B del trigo poliploide durante la domesticación y la transición de ploidía. BMC Biol. 19, 42 (2021).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Feldman, M. & Levy, AA Evolución del genoma debido a alopoliploidización en trigo. Genética 192, 763–774 (2012).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Jiao, W. et al. Cambios asimétricos de expresión génica, ARN pequeños y cromatina en dos alotetraploides de trigo resintetizados. Planta J. 93, 828–842 (2018).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Li, Z. et al. El mapa epigenómico del trigo harinero revela distintas características arquitectónicas y evolutivas de la cromatina de los elementos genéticos funcionales. Genoma Biol. 20, 139 (2019).

Artículo PubMed PubMed Central Google Académico

Zhu, T. et al. Los mapas ópticos refinan el trigo harinero Triticum aestivum cv. Ensamblaje del genoma de la primavera china. Planta J. 107, 303–314 (2021).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

IWGSC. Cambiando los límites en la investigación y el mejoramiento del trigo utilizando un genoma de referencia completamente anotado. Ciencia 361, eaar7191 (2018).

Artículo Google Académico

Smith, RD, Kinser, TJ, Smith, GDC y Puzey, JR Una prueba de razón de verosimilitud para cambios en el sesgo de expresión de homeólogos. BMC Bioinforme. 20, 1–11 (2019).

Artículo Google Académico

Ramírez-González, RH et al. El paisaje transcripcional del trigo poliploide. Ciencia 361, eaar6089 (2018).

Artículo PubMed Google Académico

Zhang, L.-Q. et al. Aparición frecuente de gametos no reducidos en híbridos Triticum turgidum-Aegilops tauschii. Euphytica 172, 285–294 (2010).

Artículo Google Académico

Liu, M. et al. Resistencia a la roya lineal en germoplasma de Aegilops tauschii. Ciencia de cultivos 53, 2014-2020 (2013).

Artículo Google Académico

Shaked, H., Kashkush, K., Ozkan, H., Feldman, M. & Levy, AA La eliminación de secuencias y la metilación de citosina son respuestas rápidas y reproducibles del genoma a la hibridación amplia y la alopoliploidía en el trigo. Célula vegetal 13, 1749-1759 (2001).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Juery, C. et al. Nuevos conocimientos sobre las variaciones del número de copias homeólogas en el genoma del trigo hexaploide. Genoma vegetal 14, e20069 (2021).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Li, A. et al. Los transcriptomas de ARNm y ARN pequeño revelan información sobre la regulación homoeológica dinámica de la heterosis alopoliploide en el trigo hexaploide naciente. Célula vegetal 26, 1878–1900 (2014).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Wu, J. et al. Sesgo de expresión homeológica y dominancia del nivel de expresión en Brassica napus alopoliploide resintetizada. BMC Genomics 19, 586 (2018).

Artículo PubMed PubMed Central Google Académico

Yoo, M., Szadkowski, E. & Wendel, J. Sesgo de expresión homoeolog y dominancia del nivel de expresión en algodón alopoliploide. Herencia 110, 171–180 (2013).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Pfeifer, M. et al. Interacción del genoma en el transcriptoma de grano de trigo harinero hexaploide. Ciencia 345, 1250091 (2014).

Artículo PubMed Google Académico

Powell, JJ et al. El transcriptoma asociado a la defensa del trigo hexaploide muestra un sesgo de inducción y expresión homoeológica. Biotecnología vegetal. J. 15, 533–543 (2017).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Veitia, RA & Birchler, JA Cuestiones de dosis de genes: un tema recurrente en los eventos de duplicación del genoma completo. Tendencias Genet. 38, 1–3 (2022).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Birchler, JA Conocimientos de estudios paleogenómicos y de población sobre las consecuencias de la expresión génica sensible a la dosis en las plantas. actual Opinión Biol. vegetal 15, 544–548 (2012).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Conant, GC, Birchler, JA y Pires, JC Dosificación, duplicación y diploidización: aclaración de la interacción de múltiples modelos para la evolución de genes duplicados a lo largo del tiempo. actual Opinión Biol. vegetal 19, 91–98 (2014).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Birchler, JA & Veitia, R. Cien años de equilibrio genético: cómo los problemas estequiométricos afectan la expresión génica, la evolución del genoma y los rasgos cuantitativos. Cytogenet Genoma Res. 161, 529–550 (2021).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Hu, G. & Wendel, JF Controles cis-trans y novedad regulatoria que acompaña a la alopoliploidización. N. Phytol. 221, 1691-1700 (2019).

Artículo Google Académico

Margarido, GRA, Correr, FH, Furtado, A., Botha, FC & Henry, RJ Expresión génica específica de alelo limitada en caña de azúcar altamente poliploide. Genoma Res. https://doi.org/10.1101/gr.275904.121 (2021).

Peng, Z. et al. Los polimorfismos naturales en un par de homólogos de NSP2 pueden provocar la pérdida de la nodulación en el maní. Exp. J. Bot. 72, 1104–1118 (2020).

Artículo Google Académico

Correr, FH, Furtado, A., Garcia, AAF, Henry, RJ & Margarido, GRA Alele expression biases in mixed-ploid sugarcane accesions. bioRxiv https://doi.org/10.1101/2021.08.26.457296 (2021).

Dong, Y. et al. Legado de los padres versus innovación regulatoria en la respuesta al estrés salino de las especies de algodón alopoliploide (Gossypium). Planta J. 111, 872–887 (2022).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Pei, L. et al. La arquitectura dinámica del genoma 3D de la fibra de algodón revela la topología de la cromatina coordinada por el subgenoma para la diferenciación de una sola célula en 4 etapas. Genoma Biol. 23, 45 (2022).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Khan, D. et al. El perfil de expresión génica revela redes de factores de transcripción y sesgo de subgenoma durante el desarrollo de semillas de Brassica napus. Planta J. 109, 477–489 (2022).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Fang, L., Guan, X. & Zhang, T. Evolución asimétrica y domesticación en algodón alotetraploide (Gossypium hirsutum L.). Cultivo J. 5, 159–165 (2017).

Artículo Google Académico

Combes, M.-C., Cenci, A., Baraille, H., Bertrand, B. & Lashermes, P. Expresión de genes homeólogos en respuesta a la temperatura creciente en un alopoliploide reciente (Coffea arabica L.). J. Herencia 103, 36–46 (2011).

Artículo Google Académico

Griffiths, AG y col. Liberarse: la genómica de la expansión del nicho facilitada por la alopoliploidía en el trébol blanco. Célula vegetal 31, 1466–1487 (2019).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Coombes, B. et al. La secuenciación del genoma completo descubre el panorama estructural y transcriptómico del trigo/Am hexaploide. líneas de introgresión muticum. bioRxiv https://doi.org/10.1101/2021.11.16.468825 (2021).

Rey, E. et al. La reprogramación del transcriptoma debido a la introducción de un telosoma de cebada en el trigo harinero afecta a más genes de cebada que de trigo. Biotecnología vegetal. J. 16, 1767-1777 (2018).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Dong, Z. et al. Impactos en todo el genoma de la introgresión de cromatina alienígena en las transcripciones de genes de trigo. ciencia Rep. 10, 4801 (2020).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Li, H. et al. Una translocación espontánea de trigo-Aegilops longissima que lleva Pm66 confiere resistencia al mildiú polvoroso. teor. Aplicación Genet. 133, 1149–1159 (2020).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Bin, Z. et al. Respuestas de aneuploidía transcripcional de líneas de adición exóticas monosómicas (MAAL) de Brassica rapa-oleracea derivadas de B. napus alopoliploide natural. Frente. Gineta. 10, 67 (2019).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Shao, Y., Pan, Q., Zhang, D., Kang, L. y Li, Z. Perturbaciones de la expresión génica global en colza debido a la introducción de cromosomas de rábano extraños. J. Genet. 100, 25 (2021).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Gallois, J.-L., Moury, B. & German-Retana, S. Papel del trasfondo genético en la resistencia a virus de plantas. Int J. Mol. ciencia 19, 2856 (2018).

Artículo PubMed PubMed Central Google Académico

Sharma, S. et al. Introducir alelos benéficos de los recursos fitogenéticos en el germoplasma de trigo. Biología 10, 982 (2021).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Szabo-Hever, A. et al. Diversidad genética y resistencia al tizón de la espiga por Fusarium en trigo hexaploide sintético derivado de Aegilops tauschii y diversas subespecies de Triticum turgidum. Frente. ciencia de las plantas 9, 1829 (2018).

Artículo PubMed PubMed Central Google Académico

Moskal, K., Kowalik, S., Podyma, W., Łapiński, B. y Boczkowska, M. Los pros y los contras de la introgresión de la cromatina del centeno en el genoma del trigo. Agronomía 11, 456 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Zhao, L. et al. Estabilidad cromosómica de híbridos de trigo sintético-natural. Frente. ciencia de las plantas 12, 654382 (2021).

Artículo PubMed PubMed Central Google Académico

Ozkan, H., Levy, AA y Feldman, M. Evolución rápida del genoma inducida por alopoliploidía en el grupo de trigo (Aegilops-Triticum). Célula vegetal 13, 1735-1747 (2001).

CAS PubMed PubMed Central Google Académico

Yu, M., Guan, L.-L., Chen, G.-Y., Pu, Z.-E. y Hou, D.-B. Cambios genómicos rápidos inducidos por alopoliploidía en trigo hexaploide sintético recién generado. Biotecnología. Biotecnología. Equipar. 31, 236–242 (2017).

Artículo CAS Google Académico

Gutbrod, MJ & Martienssen, RA Funciones cromosómicas conservadas de la interferencia de ARN. Nat. Rev. Genet. 21, 311–331 (2020).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Yaakov, B. & Kashkush, K. Alteraciones masivas de los patrones de metilación alrededor de los transposones de ADN en las primeras cuatro generaciones de un alohexaploide de trigo recién formado. Genoma 54, 42–49 (2011).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Yuan, J. et al. Cambios de metilación del ADN dinámicos y reversibles inducidos por la separación del genoma y la fusión del trigo poliploide. BMC Biol. 18, 171 (2020).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Liu, Y. et al. Los paisajes de dimetilación de la histona H3K27 contribuyen a la estabilidad del genoma y la recombinación genética durante la poliploidización del trigo. Planta J. 105, 678–690 (2021).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Wang, M. et al. Un atlas de elementos reguladores epigenéticos del trigo revela la divergencia del subgenoma en la regulación del desarrollo y las respuestas al estrés. Célula vegetal 33, 865–881 (2021).

Artículo PubMed PubMed Central Google Académico

Lu, F.-H. et al. La accesibilidad reducida a la cromatina subyace a las diferencias de expresión génica en los brazos cromosómicos homólogos de Aegilops tauschii diploide y trigo hexaploide. GigaScience 9, giaa070 (2020).

Artículo PubMed PubMed Central Google Académico

García-Lozano, M. et al. Conformación de cromatina alterada y regulación transcripcional en sandía después de la duplicación del genoma. Planta J. 106, 588–600 (2021).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Wang, M. et al. Dinámica evolutiva de la arquitectura del genoma 3D después de la poliploidización en algodón. Nat. Plantas 4, 90–97 (2018).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Kazan, K. Empalme alternativo y diversidad de proteomas en plantas: acaba de emerger la punta del iceberg. Tendencias Plant Sci. 8, 468–471 (2003).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Laloum, T., Martín, G. & Duque, P. Control de empalme alternativo de las respuestas al estrés abiótico. Tendencias Plant Sci. 23, 140–150 (2018).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Huang, J. et al. Los efectores de Phytophthora modulan el empalme alternativo de los ARNm del huésped en todo el genoma para reprogramar la inmunidad de las plantas. mol. Planta 13, 1470–1484 (2020).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Yu, K. et al. Cambios en el empalme alternativo en respuesta a la domesticación y poliploidización en trigo. Fisiol vegetal. 184, 1955–1968 (2020).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Martin, G., Márquez, Y., Mantica, F., Duque, P. e Irimia, M. Paisajes de empalme alternativos en Arabidopsis thaliana a través de tejidos y condiciones de estrés resaltan las principales diferencias funcionales con los animales. Genoma Biol. 22, 35 (2021).

Artículo PubMed PubMed Central Google Académico

Min, XJ et al. Catalogación y análisis de todo el genoma de genes empalmados alternativamente en cultivos de cereales. BMC Genomics 16, 721 (2015).

Artículo PubMed PubMed Central Google Académico

Wang, M. et al. Una encuesta global de empalme alternativo en algodón alopoliploide: panorama, complejidad y regulación. N. Phytol. 217, 163–178 (2018).

Artículo Google Académico

Zhou, R., Moshgabadi, N. y Adams, KL Cambios extensos en patrones de empalme alternativos después de la alopoliploidía en poliploides naturales y resintetizados. proc. Academia Nacional. ciencia EE. UU. 108, 16122–16127 (2011).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Gao, P. et al. Dinámica de empalme alternativo y divergencia evolutiva durante la embriogénesis en especies de trigo. Biotecnología vegetal. J. 19, 1624–1643 (2021).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Bolger, AM, Lohse, M. y Usadel, B. Trimmomatic: un recortador flexible para datos de secuencia de Illumina. Bioinformática 30, 2114–2120 (2014).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Dobin, A. et al. STAR: Alineador RNA-seq universal ultrarrápido. Bioinformática 29, 15–21 (2012).

Artículo PubMed PubMed Central Google Académico

Robinson, MD, McCarthy, DJ y Smyth, GK edgeR: un paquete de bioconductores para el análisis de expresión diferencial de datos de expresión génica digital. Bioinformática 26, 139–140 (2009).

Artículo PubMed PubMed Central Google Académico

Edger, PP et al. Dominancia del subgenoma en un híbrido interespecífico, alopoliploide sintético y una flor de mono neo-alopoliploide establecida naturalmente de 140 años. Célula vegetal 29, 2150–2167 (2017).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Kryuchkova-Mostacci, N. & Robinson-Rechavi, M. Un punto de referencia de las métricas de especificidad de tejido de expresión génica. Breve. Bioinformar. 18, 205–214 (2017).

CAS PubMed Google Académico

Chen, Y. et al. Una estrategia de inferencia de homología que incorpora colinealidad para conectar ensamblajes emergentes en la tribu Triticeae como práctica piloto en la era pangenómica de plantas. mol. Planta 13, 1694–1708 (2020).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Shen, S. et al. rMATS: detección robusta y flexible de empalmes alternativos diferenciales a partir de datos replicados de RNA-Seq. proc. Academia Nacional. ciencia EE. UU. 111, E5593–E5601 (2014).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

rmats2sashimiplot. https://github.com/Xinglab/rmats2sashimiplot. (2015).

Vasudevan, A., Lévesque-Lemay, M., Edwards, T. & Cloutier, S. El análisis del transcriptoma global de la alopoliploidización revela una represión a gran escala del subgenoma D en el trigo hexaploide sintético. Repositorio de Figshare https://doi.org/10.6084/m9.figshare.c.6443621 (2023).

Descargar referencias

El trabajo fue apoyado por el proyecto 4D Wheat: Diversity, Discovery, Design and Delivery, una asociación de Genome Canada, Agriculture and Agri-Food Canada y las partes interesadas de la industria del trigo con el apoyo administrativo de Genome Prairie (Proyecto J-002319). El trabajo también fue apoyado por la Asociación Agrícola Canadiense (Proyecto J-001961). Los autores también quisieran agradecer al Dr. Ronald D. Smith, College of William & Mary, EE. UU., por proporcionar aclaraciones sobre los códigos LRT MATLAB y al Dr. Sridhar Ravichandran por su apoyo en la extracción de ARN y las transferencias de datos iniciales.

Agriculture and Agri-Food Canada, Centro de Investigación y Desarrollo de Ottawa, Ottawa, ON, Canadá

Akshaya Vasudevan, Madeleine Lévesque-Lemay, Tara Edwards y Sylvie Cloutier

Departamento de Biología, Universidad de Ottawa, Ottawa, ON, Canadá

Akshaya Vasudevan y Sylvie Cloutier

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

SC diseñó el estudio. SC, ML-L. y TE realizó los experimentos y recopiló datos. AV y SC finalizaron los métodos de análisis de datos, llevaron a cabo el análisis de datos, interpretaron los resultados y los visualizaron. AV y SC escribieron el artículo. Todos los autores leyeron y aprobaron el artículo.

Correspondencia a Sylvie Cloutier.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Communications Biology agradece a Arunkumar Ramesh, Ahmad Alqudah y al otro revisor anónimo por su contribución a la revisión por pares de este trabajo. Editor de manejo principal: Joao Valente.

Nota del editor Springer Nature se mantiene neutral con respecto a los reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Acceso abierto Este artículo tiene una licencia internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, el intercambio, la adaptación, la distribución y la reproducción en cualquier medio o formato, siempre que se otorgue el crédito correspondiente al autor o autores originales y a la fuente. proporcionar un enlace a la licencia Creative Commons e indicar si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la regulación legal o excede el uso permitido, deberá obtener el permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Reimpresiones y permisos

Vasudevan, A., Lévesque-Lemay, M., Edwards, T. et al. El análisis del transcriptoma global de la alopoliploidización revela una represión a gran escala del subgenoma D en el trigo hexaploide sintético. Commun Biol 6, 426 (2023). https://doi.org/10.1038/s42003-023-04781-7

Descargar cita

Recibido: 17 junio 2022

Aceptado: 30 de marzo de 2023

Publicado: 17 abril 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s42003-023-04781-7

Cualquier persona con la que compartas el siguiente enlace podrá leer este contenido:

Lo sentimos, un enlace para compartir no está disponible actualmente para este artículo.

Proporcionado por la iniciativa de intercambio de contenido Springer Nature SharedIt

Al enviar un comentario, acepta cumplir con nuestros Términos y Pautas de la comunidad. Si encuentra algo abusivo o que no cumple con nuestros términos o pautas, márquelo como inapropiado.