研究人员开发了一种新方法，通过分析转座元件留下的遗传痕迹来重建复杂植物基因组的演化史。该技术揭示了现代草莓是经由多次古老的基因组融合事件构建而成的，为主要作物物种的演化提供了新见解。
一项新研究引入了一种全基因组方法，用于解开这些复杂的遗传历史。该方法利用了长末端重复反转录转座子（一种移动DNA序列）留下的进化特征。通过比较这些元件在染色体上的相似性模式，研究人员可以识别不同的亚基因组，并估算主要基因组融合事件发生的时间。当应用于栽培八倍体草莓时，该技术揭示了由多轮异源多倍化塑造的逐步进化历史，为复杂植物基因组如何在数百万年间形成和多样化提供了新见解。
为什么多倍体基因组难以破译
全基因组复制在植物进化中发挥了重要作用，有助于推动创新、适应以及许多作物物种的出现。在异源多倍体植物中，染色体组起源于不同的祖先基因组。这些被称为亚基因组的染色体群在原始杂交事件发生很久之后仍在继续进化和相互作用。
识别这些亚基因组对于理解物种如何进化至关重要。传统方法通常依赖于将多倍体基因组与已知的二倍体祖先进行比较。问题在于，许多祖先物种要么已经灭绝，要么尚未被鉴定。
转座元件提供了另一种信息来源。长末端重复反转录转座子在特定的进化谱系内以特征性模式积累，保存了过去事件的分子证据。尽管科学家早就认识到它们的潜在价值，但将这些模式转化为准确亚基因组归属的可靠方法仍然有限。因此，需要新的工具来重建多倍体基因组进化，而不依赖已知的祖先物种。
新方法重建基因组历史
来自美国农业部及合作机构的研究人员在《园艺研究》期刊上描述了这样一种工具。该团队开发了一个能够重建复杂多倍体基因组进化历史的生物信息学框架。
为了演示该方法，他们重新检查了栽培八倍体草莓。利用由长末端重复反转录转座子构建的序列相似性矩阵，研究人员阐明了草莓亚基因组的结构，并揭示了促成现代物种形成的多次古老基因组融合事件。这些发现有助于解决关于草莓进化起源的长期遗留问题。
该框架涵盖了基因组演化跨越的三个主要阶段：祖先物种分化前、各自独立的进化历史期间以及基因组融合后。在分化时期扩增的反转录转座子保留了特定亚基因组独有的特征。
通过计算这些元件在染色体上的相似性矩阵，并检查它们在不同相似性阈值下的聚类情况，研究人员生成了他们所谓的“序列相似性矩阵”。这种方法捕获了在不同时间段积累的进化信号。
在作物中测试该方法
在将该技术应用于草莓之前，团队在研究充分的异源多倍体作物中进行了测试，包括苔麸和棉花。在这两个案例中，该方法成功区分了已知的亚基因组，并分离了多倍化前后发生的事件。
研究人员还利用人工构建的多倍体基因组评估了该方法。这些测试证实，该方法对分化时间和转座元件的丰度均具有敏感性。
草莓基因组揭示了什么
当该方法应用于八倍体草莓时，它识别出了四个不同的亚基因组，并揭示了发生在大约310万至420万年前、190万至310万年前以及80万至190万年前的三次连续异源多倍化事件的证据。
结果支持了两个草莓亚基因组与森林草莓和饭沼草莓之间的密切进化关系。同时，这些发现对先前提出存在其他二倍体祖先物种的模型提出了挑战。
根据分析，草莓基因组的一些贡献者可能已经灭绝或尚未被采样，这凸显了多倍体基因组进化的复杂性。
“这项工作展示了转座元件如何充当嵌入植物基因组中的进化时间戳，”该研究的资深作者之一说道。“通过关注这些元件在何时何地扩增，即使缺失直接的祖先参照，我们也能重建基因组历史。该方法为研究多倍体作物提供了一个强有力的新视角，摆脱了对不完整祖先数据的依赖，为进化基因组学提供了一个更客观、可重复的框架。”
对作物研究和育种的影响
其潜在应用远不止于草莓。许多经济上重要的作物，包括小麦、棉花和甘蔗，都是具有类似复杂进化历史的多倍体。
更准确地识别亚基因组可以改善基因注释、性状定位和比较基因组学研究。这些进步反过来又能支持精准育种工作，并帮助加速作物改良。
通过使无需已知祖先即可重建基因组进化成为可能，序列相似性矩阵方法为研究生物多样性、物种形成和适应性增添了宝贵的新工具。该框架也可能被证明对调查其他复杂多倍体生物有用，有助于将进化生物学与实际农业研究联系起来。
这项工作得到了美国国家食品与农业研究所（NIFA）——特种作物研究计划（SCRI）授予Q.Y.的项目2022-51181-38241的支持。