Хлопок как модель полиплоидии и исследования развития волокон Авторы: Венера С. Камбурова, Ильхом Б. Салахутдинов, Шухрат Э. Шерматов, Забардаст Т. Буриев, Иброхим Ю. Абдурахмонов

Абстрактный
Хлопок - одна из важнейших сельскохозяйственных культур в мире. Род Gossypium представлен 50 видами, разделенными на два уровня плоидности: диплоидный (2n = 26) и тетраплоидный (2n = 52). Такое разнообразие видов Gossypium представляет собой идеальную модель для изучения эволюции и одомашнивания полиплоидов. В связи с этим исследования происхождения и эволюции полиплоидных видов хлопчатника имеют решающее значение для понимания путей и механизмов эволюции генов и генома. Кроме того, исследования полиплоидизации генома хлопка позволят более точно определить локализацию QTL, определяющих качество волокна. Кроме того, из-за того, что хлопковые волокна представляют собой одиночные трихомы, происходящие из клеток эпидермиса, они являются одной из наиболее подходящих модельных систем для изучения молекулярных механизмов регуляции удлинения клеток и клеточных стенок, а также биосинтеза целлюлозы.

1. Введение
В настоящее время хлопок (Gossypium L.) - одна из важнейших текстильных культур в мире, производящая натуральное и качественное волокно. Например, в 2017/18 году мировое производство и использование хлопка оценивалось в 25,1 млн тонн [1, 2]. Согласно прогнозам, мировое производство хлопка вырастет и достигнет 26,1 млн тонн в 2026 году [3].

Род Gossypium представлен более чем 50 видами, разделенными по плоидности на две группы: диплоидные (2n = 2x = 26) и тетраплоидные (2n = 4x = 52) [1, 4]. Причем 45 видов - диплоидные, а оставшиеся 5 видов - тетраплоидные [4]. Среди них культивируются только такие диплоидные виды, как G. arboretum L., G. herbaceum L. и тетраплоидные G. hirsutum L. и G. barbadense L. [4, 5]. Следовательно, такое разнообразие видов Gossypium является подходящей моделью для изучения эволюции, одомашнивания и полиплоидии, а также для изучения влияния плоидности на наиболее важные агрономические признаки хлопка (например, качество волокна), а также экспрессию и наследование хлопка. соответствующие интересующие гены [6].

Как и у большинства растений, эволюция хлопка характеризовалась повторяющимися циклами дупликации всего генома [1, 6, 7]. В то же время параллельный уровень цитогенетического и геномного разнообразия сложился во время глобального распространения хлопка, что в итоге привело к появлению восьми групп диплоидных (n = 13) видов (группы геномов AG и K) [1, 6]. Следует отметить, что, несмотря на существование разных типов полиплоидии [1, 6], наиболее распространенным типом является аллополиплоидия, когда два дифференцированных генома, как правило, разных видов, объединяются в одном ядре клетки в результате гибридизации [1, 6].

Таким образом, аллополиплоидная дупликация генома приводит к многочисленным молекулярно-генетическим взаимодействиям, межлокусной согласованной эволюции, различию скоростей геномной эволюции, межлокусному переносу генетического материала и, возможно, к изменениям в экспрессии генов [1, 6]. Кроме того, аллополиплоидия могла стимулировать морфологическую, экологическую и физиологическую адаптацию хлопка посредством естественного отбора, основанного на более высоком уровне изменчивости, например, в результате дублирования набора генов [1, 6].

По тем же причинам дупликация генома могла дать новые возможности для улучшения хлопка путем направленного отбора [7, 8]. Другой важный аспект аллополиплоидии состоит в том, что не каждый аллополиплоид должен строго соответствовать концепции простого суммирования наследственных диплоидных геномов. В некоторых случаях слияние двух разных геномов сопровождается значительной реорганизацией генома и, как следствие, неменделирующей генетической наследственностью [7, 9].

Учитывая вышесказанное, в этой главе мы попытаемся проанализировать последствия эволюции полиплоидов, в том числе на геномном, эпигеномном и фенотипическом уровнях.

2. Эволюция рода Gossypium.
Согласно молекулярно-генетическим данным, история эволюции хлопка насчитывает около 10–15 миллионов лет после того, как госсипиум отделился от других госсипий [6, 10, 11]. В то же время эволюция восьми групп диплоидных видов (геномные группы A-G и K) также произошла за счет широкого распространения хлопка, что привело к возникновению параллельного уровня цитогенетического и геномного разнообразия [1, 6, 11]. Следует отметить, что молекулярно-генетические и цитогенетические исследования показывают, что родословные видов на генеалогическом дереве рода совпадают с геномными группами A-G, K, AD и географическим происхождением [11, 12].

Исследования эволюции Gossypium показали, что возникновение тетраплоидных видов произошло в результате полиплоидизации диплоидных видов A- (африканский) и D-геномов (американский) [1, 6, 11]. Аллоплоидизация этих двух геномов произошла примерно 1,5–2 миллиона лет назад, в результате чего образовалось пять различных геномов: G. darwinii, G. tomentosum, G. mustelinum, G. hirsutum и G. barbadense, причем последние два относятся к культивируемым видам [13 ]. Также было доказано, что в процессе аллоплоидизации G. arboreum и G. herbaceum выступали в качестве рецепторов A-генома и должны быть предшественниками, поскольку все существующие полиплоидные виды содержат цитоплазму A-генома. В то же время донором D-генома оказался G. raimondii [11].

После появления предшественника аллотетраплоидных видов, на начальном этапе дивергенции возникли две эволюционные линии хлопка с геномами AD: первая включает G. mustelinum (геном AD4), вторая - все остальные виды (AD1 - Геномы AD3 и AD5). Другими словами, последующее расхождение второй эволюционной линии геномов AD привело к появлению недавних аллотетраплоидных видов хлопка, таких как G. hirsutum (геном AD1), G. barbadense (геном AD2), G. tomentosum (геном AD3). ) и G. darwinii (геном AD5) [11, 12].

Одним из важных эволюционных событий для Gossypium стало одомашнивание четырех диких видов. Этот отбор был основан на длине и качестве хлопкового волокна, которое представляет собой анатомически специализированные одноклеточные трихомы, расположенные на поверхности эпидермиса семян [10, 11]. Этот последовательный процесс привел к одомашниванию четырех видов хлопка: двух американских - G. hirsutum и G. barbadense и двух афро-азиатских - G. arboretum и G. herbaceum [11]

Последующие филогенетические исследования показали, что в A / F-геномах впервые появился признак длительного удлинения трихомов. Возможно, это явилось причиной одомашнивания G. arboretum и G. herbaceum (A-геном). В отличие от A-генома у ряда видов с D-геномом (G. thurberi, G. trilobum, G. davidsonii и G. klotzschianum и три вида подсекции Cauducibracteolata) отсутствуют четко видимые волокна [11, 12]. Это говорит о том, что признаки удлинения трихомов, вероятно, были унаследованы аллотетраплоидом (AD-геном) от A-генома [11].

Более того, одомашнивание видов хлопка привело к изменению не только длины волокна, но и его химического состава: волокно диких видов, помимо целлюлозы, содержит суберин, а у культурных видов - только целлюлозу [11]. .

Обобщая приведенную выше информацию, следует отметить, что госсипиум в конечном итоге отделился от других госсипий в период плейстоцена. Этот род эволюционировал двумя путями: дивергенция у диплоидных видов (геномные группы A-G и K) и аллополиплоидизация A- и D-геномов с последующим возникновением тетраплоидных видов (AD1 - AD5-геномы). Помимо этого, одомашнивание этих видов и искусственный отбор, основанный на качестве волокна, также оказали большое влияние на эволюцию выращиваемого хлопка.

3. Механизмы полиплоидии.
Полиплоидизация геномов эукариот - важное эволюционное событие, оказавшее значительное влияние на эволюцию растений, в том числе хлопка [14, 15, 16]. Полиплоиды делятся на две большие группы: автополиплоиды и аллополиплоиды [17, 18, 19, 20]. Разница между этими двумя группами в основном заключается в типе гибридизации: внутривидовая гибридизация происходит в автополиплоидах, а аллополиплоиды возникают в результате сочетания таких процессов, как межвидовая гибридизация и дупликация хромосом [17, 20].

В свою очередь, существует два типа аллополиплоидов: истинные и сегментарные аллополиплоиды. Истинные аллополиплоиды возникли в результате гибридизации отдаленно родственных видов, а сегментные аллополиплоиды - в результате гибридизации близкородственных видов с частично различными геномами [20]. В этом случае сегментарные аллополиплоиды можно рассматривать как промежуточный тип между истинными аллополиплоидами и автополиплоидами [20].

У автополиплоидов наличие более двух гомологичных хромосом в геноме может приводить к формированию поливалентов во время мейоза. Это способствует полисомному типу наследования признаков. В то время как у истинных аллополиплоидов образуются биваленты, что приводит к дисомному наследованию признаков. В то же время у сегментарных аллополиплоидов во время мейоза наблюдается спаривание одновалентных, двухвалентных и / или поливалентных хромосом [20].

Второй механизм - слияние нередуцированных гамет - основной фактор естественного возникновения полиплоидии. В этом случае слияние нередуцированных гамет может приводить к односторонней (слияние с обычно редуцированной гаметой) или двусторонней полиполидизации (слияние с другой невосстановленной гаметой) [20].

Образование нередуцированных гамет может происходить из-за ошибок во время мейоза. В этом случае ошибки во время мейоза I (реституция первого деления - FDR) могут быть следствием нарушения спаривания хромосом в профазе I (синаптен / пахитен) или разделения гомологичных хромосом в анафазе I [20]. В то же время ошибки во время мейоза II (реституция второго деления - SDR) возникают в анафазе II из-за неспособности разделения и сегрегации сестринских хроматид [20]. И FDR, и SDR приводят к удвоению хромосомного набора в гаметах, что приводит к образованию диад или триад [21].

В зависимости от механизма мейотической реституции последствия полиплоидизации будут различаться. Таким образом, после FDR уровень гетерозиготности нередуцированных гамет будет аналогичен исходным гаметам, а SDR приведет к снижению уровня гетерозиготности нередуцированных гамет [20]. Уровень гетерозиготности полученных полиплоидов будет иметь решающее значение как в борьбе за выживание, так и при искусственном отборе.

Полиплоидия оказала значительное влияние на процесс эволюции и формирование видов за счет увеличения фенотипической изменчивости, гетерозиса и устойчивости к мутациям. С другой стороны, с точки зрения эволюции аллополиплоидизация (межвидовая гибридизация) более предпочтительна из-за выраженного эффекта гетерозиса, который проявляется в увеличении биомассы, роста и его скорости, плодовитости и устойчивости полученных гибридов к стрессу [22]. Так, у тетраплоидных культурных видов хлопчатника (G. hirsutumand G. barbadense) качество и урожайность волокна намного выше, чем у культурных диплоидов (G. arboretumand G. herbaceum) [23].

Резюмируя вышесказанное, полиплоидизация - довольно распространенное явление в эволюции растений (количество полиплоидных видов составляет примерно от общего количества видов сосудистых растений) [24]. В то же время возникновение полиплоидии приносит эволюционную «пользу» виду, увеличивая его шансы в борьбе за выживание.

4. Геномные последствия полиплоидизации.
Процесс аллополиплоидизации генома хлопка нельзя рассматривать как простую сумму A- и D-геномов. Было показано, что дупликация генома приводит к различным молекулярно-генетическим взаимодействиям, например: согласованной эволюции между локусами, разной скорости эволюции геномов, межлокусному переносу генетического материала и изменениям в экспрессии генов [1, 6, 17].

Кроме того, согласно последним молекулярным данным, тетраплоидные виды хлопчатника являются, по крайней мере, палеооктаплоидами, а диплоидные виды - палеотетраплоидами. В связи с этим хлопок может быть хорошей модельной системой для изучения последствий полиплоидизации генома [6, 9, 25].

В связи с изложенным рассмотрим изменения, произошедшие после полиплоидизации генома хлопчатника.

4.1 Стабильность генома
Несмотря на то, что диплоидные виды Gossypium имеют одинаковое основное число хромосом (n = 13), длина ДНК у разных видов широко варьирует от ~ 900 МБ в D-геномах до ~ 2500 МБ в K-геномах [1, 6, 17] . Более того, анализ образования бивалентов в метафазе мейоза также позволяет предположить, что диплоидные виды хлопчатника на самом деле являются палеополиплоидными организмами [6]. Ряд исследований также показал, что предок Gossypium прошел циклы полиплоидизации с последующей потерей части гомологичных генов и диплоидизацией [6, 26, 27].

В этой связи следует отметить, что аллополиплоидизация хлопка характеризуется не только перестройками на хромосомном уровне [1, 6]. Это предположение подтверждается как классическими цитогенетическими, так и молекулярно-генетическими данными [1, 6]. Таким образом, цитогенетические данные показывают, что хромосомы A- и D-генома реже образуют биваленты после скрещивания аллотетраплоидов по сравнению с гибридами диплоидных видов [1, 6]. Например, гибриды аллотетраплоидов образуют менее одного бивалента на клетку в мейотической метафазе, тогда как гибриды нынешних диплоидов A- и D-генома образуют в среднем 5,8 и 7,8 бивалентов [1, 6].

Кроме того, анализ порядка и синтеза генов в A- и D-геномах, а также в аллополиплоидных геномах (A по сравнению с At и D по сравнению с Dt) показал низкий уровень структурных перестроек хромосом с сохранением коллинеарных групп сцепления [28 ]. Наряду с этим AFLP-анализ девяти искусственных аллотетраплоидных и аллогексаплоидных видов хлопчатника показал значительную аддитивность генетических локусов [1, 6].

Обобщая факты, можно предположить, что стабилизация генома хлопка после полиплоидизации привела к такой реорганизации исходных геномов, что они больше не были способны к гомеологическому спариванию [1, 6].

Таким образом, можно сделать вывод, что геном хлопка достаточно стабилен и стабилизация генома не достигается за счет структурных перестроек, в отличие от некоторых других моделей растений с полиплоидным геномом.

4.2 Мобильные элементы в геноме
Как было сказано выше, размер генома разных видов хлопчатника существенно различается даже при одинаковом базовом числе хромосом [1, 6, 29]. Это может быть обусловлено рядом мобильных генетических элементов (MGE) в геноме Gossypium [6]. Wu et al. (2017) показали, что геном Gossypium содержит большое количество MGE, в частности ретротранспозоны с длинными концевыми повторами (LTR), по сравнению с Theobroma cacao (L.) и A. thaliana (L.) Heynh [30].

Более того, анализ геномов G. raimondii, G. arboreum и G. hirsutum показал, что наибольшее количество MGE, особенно LTR-ретротранспозонов, наблюдается в A- и AD-геномах [6, 12, 31, 32]. Однако частота встречаемости ретротранспозонов CopiaLTR выше у G. raimondii (геном D5) - самый маленький размер генома (885 Мб). В то же время частота встречаемости ретроэлементов GypsyLTR выше у видов с большим размером генома [6, 32, 33, 34]. Кроме того, было установлено, что широкое распространение GORGE3 (Gossypiumretrotransposable gypsy-like element) в A- и AD-геномах явилось причиной их увеличения [31, 32, 35, 36].

Было также обнаружено, что помимо изменения размера генома у различных видов хлопка, MGE также влияют на экспрессию генов, ответственных за развитие волокон [30, 32]. Таким образом, в D-субгеноме наблюдали встраивание ретротранспозона CopiaLTR в промоторную область гена, кодирующего фактор транскрипции GhMYB25. Это хорошо согласуется с фактами гиперэкспрессии гомеолога D-генома у G. hirsutum [32]. Точно так же вставка ретротранспозона LINE в промотор гена фактора ответа этилена (GhERF) в D-субгеноме увеличивает уровень экспрессии D-гомеолога по сравнению с его A-копией [32].

Было также высказано предположение, что подавление LTR-элементов CICR (Китайский институт исследований хлопка) оказало заметное влияние на формирование аллотетраплоидных видов хлопчатника, поскольку частота встречаемости этих MGEs значительна в A-подгеномах и практически не встречается. в D-субгеномах [37].

Подводя итог, можно сказать, что наличие мобильных элементов в геноме, их полиморфизм и частота встречаемости, вероятно, оказали значительное влияние на эволюцию хлопка. Кроме того, MGE участвуют в регуляции активности генов, отвечающих за качество волокна.

4.3 Асимметричная эволюция генома
Таким образом, Gossypium имеет диплоидный и тетраплоидный геном, что делает хлопок идеальной моделью для изучения эволюции гомеологических генов и их экспрессии после полиплоидизации.

Как упоминалось выше, признак удлинения трихомов, вероятно, унаследован аллотетраплоидными AD-геномами от A-генома [11]. Дальнейшая эволюция одомашненных тетраплоидов (G. hirsutum и G. barbadense) происходила под влиянием искусственного отбора, направленного на улучшение качества волокна. Это привело к асимметричной эволюции A- и D-субгеномов. Согласно Li et al. (2015) у G. hirsutum частота мутаций и скорость образования однонуклеотидных полиморфизмов (SNP) в межгенных коллинеарных областях Dt-субгенома были значительно выше, чем в At-геноме [31]. Между тем установленные значения Ks для пар коллинеарных генов в At- и Dt-субгеномах были меньше, чем в соответствующих диплоидных A- и D-геномах. Также было показано снижение отношения dN / dS в паре Dt / D по сравнению с T. cacao и аналогичные показатели для At / A [31].

Кроме того, путем сравнительного исследования межхромосомных перестроек и частоты SNP у G. hirsutum и G. barbadense ученые обнаружили большее распространение общих перестроек в At-субгеноме (372,6 Mb) по сравнению с Dt-субгеномом (82,6 Mb) [38]. Также было показано, что частота SNP увеличивается в At-субгеноме как у G. hirsutum, так и у G. barbadense, сравнивая Dt-субгеном (5,95 на тысячу нуклеотидов в At-субгеноме по сравнению с 5,81 в Dt-субгеноме) [38].

Эти данные также показывают, что аллотетраплоидные геномы из-за генетической избыточности испытывают меньшее давление со стороны стабилизирующего отбора, а направленный отбор по качеству волокон оказывает большее влияние на At-субгеном [31, 38].

Асимметрия этих субгеномов также проявляется в типах мутаций, встречающихся в аллотетраплоидных геномах G. hirsutum и G. barbadense. Таким образом, было обнаружено, что дупликации в At-субгеноме были более консервативными, чем в Dt-субгеноме G. hirsutum. В то же время в Dt-субгеноме больше консервативных делеций по сравнению с At-субгеномом G. barbadense [39]. Эти данные показывают, что искусственный отбор во время одомашнивания хлопка способствовал фиксации дупликаций в субгеноме At у G. hirsutum и делеций в субгеноме Dt у G. barbadense. Возможно, это способствовало повышению качества волокна хлопка пима, что отличает этот вид от других [39].

Различия в субгеномах проявляются также в разной частоте встречаемости и активности МГЭ. Две независимые исследовательские группы обнаружили, что количество MGE в At-субгеноме превышает аналогичный показатель в Dt-субгеноме [31, 40]. В то же время частота встречаемости LTR-Gypsy в At-субгеноме была значительно выше, чем в Dt-субгеноме [31, 40]. Ли и др. (2015) также обнаружили, что субгеномы различаются не только количеством MGE в них, но также транскрипционной активностью и локализацией [31]. Таким образом, было показано, что уровень транскрипции как LTR-Copia, так и LTR-Gypsy был повышен в Dt-субгеноме по сравнению с At-субгеномом [31]. Однако LTR-Copia были более активными и чаще располагались рядом с кодирующими генами по сравнению с LTR-Gypsy [16].

Асимметрия также проявляется в неодинаковой экспрессии At- или Dt-гомеологов, которые регулируют развитие волокон хлопка [31, 41, 42, 43]. Уровень экспрессии гомеологов некоторых факторов транскрипции (например, MYB) был значительно повышен в At-субгеноме [31]. А всесторонний протеомный анализ волокна аллополиплоидных видов (G. hirsutum и G. barbadense) показал, что А-паттерны экспрессии преобладали у G. hirsutum над таковыми у G. barbadense на разных стадиях развития волокна. Таким образом, уровень экспрессии изменил направление доминирования с D-генома на A-геном [42].

Более того, результаты, полученные с использованием технологии RNA-seq на G. hirsutum, показали сдвиг уровня экспрессии гомеологов в сторону А-субгенома у аллотетраплоидного хлопка [44]. Этот сдвиг экспрессии генов можно объяснить дезактивацией гомеологов в недоминантном D-субгеноме из-за негативных регуляторов (миРНК и репрессоров транскрипции) [6, 44]. Также было установлено, что гены в A-субгеноме могут нести ответственность за развитие волокон путем регуляции биосинтеза / метаболизма жирных кислот и процесса роста микротрубочек. В то время как гены в D-субгеноме могут участвовать в регуляции транскрипции и стрессовом ответе [44].

Таким образом, анализ имеющихся данных позволяет говорить об асимметричной эволюции аллополиплоидных субгеномов хлопчатника со смещением доминирования в сторону А-субгенома.

5. Влияние полиплоидии на развитие волокон.
Волокно является одним из ключевых пунктов приручения четырех видов госсипиумов: двух диплоидных G. arboretum и G. herbaceum (A-геном), а также двух тетраплоидных видов G. hirsutum и G. barbadense (AD-геном) [11]. Между тем, процесс одомашнивания тетраплоидных видов был независимым, что подтверждено как данными секвенирования, так и значительными различиями в хлопковом волокне на протеомном уровне [42, 43, 45].

Хлопковое волокно в основном представляет собой удлиненную одиночную клетку эпидермиса семян (трихома) с четкой градацией стадий развития: зарождение волокна, удлинение, вторичный биосинтез клеточных стенок и созревание [33, 46, 47]. Впервые он появился среди предкового диплоидного хлопчатника с А-геномом после расхождения с F-геномом [1, 6, 48]. Аллотетраплоидные виды (геномы AD) имеют значительно более высокое качество волокон, что можно объяснить нуклеотипическим эффектом после аллополиплоидизации A- и D-генома [48, 49].

Полиплоидизация также привела к увеличению количества ядерных генов, связанных с развитием волокон [47]. Например, ряд исследований показал, что содержание специфичных для мальвовых генов семейства MIXTA, кодирующих факторы транскрипции MYB и регулирующих развитие волокон, значительно выше у аллотетраплоидных видов [50, 51]. Кроме того, стабилизация естественного и искусственного отбора способствовала изменению уровня экспрессии генов развития волокон. Это достигается либо за счет эпигенетических модификаций (метилирование ДНК, биогенез миРНК и миРНК), либо за счет модификации гистонов, среди других факторов [48, 52].

Развитие волокон хлопка - сложный процесс, обеспечиваемый скоординированным действием многих генов, участвующих в биосинтезе полисахаридов, липидов и фитогормонов, про- и антиоксидантной системы, гомеостаза кальция, а также генов факторов транскрипции (MYB, C2H2, bHLH, WRKY и HD-ZIP) [40, 53, 54, 55]. В то же время у тетраплоидных видов экспрессия и коэкспрессия генов на разных стадиях развития волокон различна: одни гены экспрессируются на стадии инициации волокна, другие - на стадиях удлинения волокна и биосинтеза вторичных клеточных стенок. [53, 54]. Было показано, что гены в Dt-субгеноме преимущественно экспрессируются на стадии инициации волокна, что является очень важным параметром выхода волокна [1, 33].

Разница в уровне экспрессии генов между G. hirsutum и G. barbadense также была установлена ​​с использованием полногеномного сопоставления обоих видов. Было показано, что более длинное волокно G. barbadense может быть результатом более продолжительной активности генов, кодирующих переносчик сахарозы (GbTSTl), Na + / H + -антипортер (GbNHXl), активируемый алюминием переносчик малата (GbALMT16), локализованную в вакуолях вакуолярную инвертазу. (GbVIN1) и плазмодесмы (PD) [8].

Также было обнаружено, что развитие волокон у тетраплоидов определяется экспрессией генов как в At-, так и в Dt-субгеноме [1, 40, 48, 55]. Несмотря на то, что основные гены качества волокна были введены в аллополиплоиды из A-генома, гены в Dt-субгеноме также оказывают значительное влияние на развитие волокон у тетраплоидного хлопка [48]. Например, несколько исследователей на основе интегрированной генетической и физической карты генов развития волокон предположили, что факторы транскрипции, регулирующие экспрессию генов волокон в At-субгеноме, транскрибируются в Dt-субгеноме [1, 56].

Наряду с этим, другая группа исследователей идентифицировала 811 позитивно отобранных генов (ПСГ) у G. hirsutum, 591 из них были связаны с развитием волокон [40, 55]. Наряду с этим, другая группа исследователей идентифицировала 811 положительно отобранных генов (ПСГ) у G. hirsutum, 591 из них были связаны с развитием волокон [40, 55]. Более того, 58% этих PSG были локализованы в At-субгеноме, а 42% PSG были идентифицированы только в Dt-субгеноме. Более того, было показано, что PSG в At-субгеноме связаны с биосинтезом бета-D-глюкана, регуляцией передачи сигнала, а также с биосинтезом углеводов и сахарозы. В то время как PSG в Dt-субгеноме определяют стрессовые реакции, которые, как известно, отражаются на развитии волокон [40, 55, 57].

Все эти результаты были подтверждены исследованиями функционального обогащения белков, дифференциально экспрессируемых в хлопковом волокне [42]. Результаты исследования протеома у G. hirsutum и G. barbadense показали, что доминантный паттерн экспрессии G. hirsutum был больше похож на А-геном (G. arboretum), тогда как доминантный паттерн экспрессии G. barbadense отличался в зависимости от стадии развития волокна. , и переключились с Dt-субгенома на At-субгеном [42]. В этом случае доминирующие паттерны At-субгенома продуцируют ферменты, участвующие в биосинтезе спиртов, моносахаридов и гексоз, тогда как паттерны Dt-субгенома продуцируют белки, участвующие в различных стрессовых ответах [42]. Эти результаты позволили предположить, что сходство во внешнем виде волокон этих двух видов возникло в процессе эволюции, но разными путями на протеомном уровне [42].

Результаты секвенирования генома тетраплоида G. hirsutum, диплоида G. arboretum и G. raimondii показали, что разница в экспрессии генов между G. hirsutum и G. raimondii была значительно выше, чем между G. hirsutum и G. arboretum [44]. Также было продемонстрировано смещение уровня экспрессии в сторону At-субгенома, что авторы объясняют активацией / деактивацией Dt-гомеологов негативными регуляторами, такими как miRNA и репрессоры транскрипции. Деактивация гомеологов Dt подтверждается уменьшением количества нефункциональных генов в Dt-субгеноме [44]. Другие авторы показали, что доминантный паттерн Dt-субгенома G. hirsutumis связан со стрессовыми ответами (гены, кодирующие фосфатидилинозитолфосфаткиназу PIPK, PIP (белок внутренней плазматической мембраны), кальмодулин (CaM), рецепторы этилена и факторы ответа этилена (ERF). , Рецепторы ABA (PYR / PYL), протеинкиназа SnRK и протеинкиназа PP2C [8].

Таким образом, все эти данные показывают, что гибридизация A- и D-генома в аллополиплоидах оказала значительное влияние на развитие волокон хлопка за счет как нуклеотипического эффекта, так и изменений и дифференцировки на уровне экспрессии гомеологов в At- и Dt. -подгеном. Очевидно, что At-гены связаны с развитием волокон, тогда как Dt-гены регулируют активность At-генов в отношении качества волокон и определяют адаптивные возможности аллотетраплоидного хлопка к неблагоприятным условиям окружающей среды [8, 42, 44].

6. Дифференциальная эволюция субгеномов.
Ожидается, что после слияния двух геномов в одно ядро ​​в результате аллополиплоидии некоторые гены приобретут мутации и станут псевдогенами, тогда как другие могут расходиться и приобретать новые функции [17, 18, 19]. Однако можно ожидать, что эти и другие явления, влияющие на молекулярную эволюцию генов, будут одинаково распределены в двух аллополиплоидных геномах. Это приводит к полезной нулевой гипотезе, то есть эволюционные скорости нуклеотидных замен будут эквивалентны для дублированных гомеологов [17, 18, 19]. Это приводит к нулевой гипотезе, согласно которой скорости эволюции нуклеотидных замен будут эквивалентны для дублированных гомеологов [17, 18, 19]. Можно сделать вывод, что обе копии гена накапливают внутривидовое разнообразие с одинаковой скоростью. Однако это не всегда верно, например, при сильном направленном отборе на копию гена [17, 18, 19]. Однако при наличии сильной стабилизирующей селекции на копию гена это условие нарушалось [17, 18, 19].

Несмотря на это, эта модель может быть полезна при изучении механизмов, лежащих в основе различных темпов эволюции или различных уровней разнообразия. Таким образом, если один из гомеологов становится псевдогенизированным, а другие остаются под давлением очищающего отбора, можно ожидать увеличения нуклеотидного разнообразия с большей скоростью в первом локусе, чем в последнем [15, 19]. Обнаружение дублированных генов в одном ядре упрощает проблему изоляции потенциально важных геномных сил от факторов уровня популяции, которые могут влиять на паттерны разнообразия, такие как система отбора или эффективный размер популяции [15, 19]. Поскольку популяционные факторы нейтральны по отношению к двум гомеологам, наблюдаемые различия в разнообразии почти наверняка связаны с генетическими или геномными процессами [15, 17, 18, 19].

Gossypiumallopolyploids - подходящая модель для этих исследований, особенно когда два генома в значительной степени коллинеарны, но размер генома отличается в два раза [1, 14, 15, 58, 59, 60]. Предположение о неравных скоростях эволюции в A- и D-геномах было подтверждено наблюдениями, что синтетические гибриды A- и D-геномов могут образовываться только при использовании A-генома в качестве реципиента [6]. Это явление подтверждается расходящимися показателями. Таким образом, изучение уровней полиморфизмов ПДРФ, обнаруженных у аллополиплоидного хлопка, показало, что количество полиморфизмов в Dt-субгеноме было больше, чем в At-субгеноме [1, 14, 15, 58, 59, 60]. Точно так же два независимых филогенетических анализа позволили выяснить, что D-геномные последовательности у аллополиплоидов имеют более длинные филогенетические ветви и более высокую скорость эволюции по сравнению с их гомеологичными A-геномными последовательностями [1, 14, 58]. Более того, локализация локусов количественных признаков указывает на более высокие темпы эволюции D-субгенома [1, 14, 58, 59, 60].

Кроме того, прямая проверка нулевой гипотезы об эквивалентности скоростей нуклеотидных замен для гомеологичных генов обеспечивается путем измерения уровней нуклеотидного разнообразия [1, 17, 18, 19]. Если эволюционные силы одинаковы для дублированных генов, мутации должны случайным образом накапливаться по направлению к гомеологу. Следовательно, при исследовании аллельного полиморфизма количество обнаруженных аллелей должно быть примерно одинаковым для двух копий гена [1, 17, 18, 19, 58]. Этот подход был использован исследователями при изучении нуклеотидных последовательностей гена алкогольдегидрогеназы (AdhA) у G. hirsutum и G. barbadense [61]. У обоих аллополиплоидных видов оценки нуклеотидного разнообразия были вдвое выше для Dt-гомеолога AdhAgene [60]. Аналогичные данные были получены при исследовании другого гена алкогольдегидрогеназы (AdhC) [62].

Таким образом, эти данные позволили предположить наличие возрастающей скорости эволюции Dt-субгенома аллополиплоидного Gossypium. Кроме того, эволюционные силы, влияющие на субгеномы Gossypium, могут быть принципиально разными. В то же время следует отметить, что молекулярные механизмы, лежащие в основе дифференциальной эволюции субгеномов, остаются неясными. Однако логично предположить, что они связаны с двойной разницей в размерах генома.

7. Заключение и перспективы на будущее
Подводя итог вышесказанному, из-за разнообразия госсипий, включающего как диплоидные (2n = 2x = 26), так и тетраплоидные (2n = 4x = 52) виды, хлопок может быть идеальной моделью для изучения эволюции аллополиплоидов, а также влияния плоидности на важнейший агрономический признак - качество хлопкового волокна [1, 6, 33, 55]. Кроме того, наличие четырех культурных видов (диплоид - G. arboretum и G. herbaceum и тетраплоид - G. hirsutum и G. barbadense) позволяет использовать это растение в качестве модели для изучения влияния искусственного отбора в процессе одомашнивания на сдвиг гомеологичной экспрессии. уровень у тетраплоидов по отношению к одному из субгенома [1, 6, 33, 55]. Более того, поскольку хлопковое волокно представляет собой единую и легко изолированную клетку с четкой градацией стадий развития, это хорошая модель для изучения механизмов развития волокон [47].

В этой главе представлены результаты исследований эволюции Gossypium, механизмов полиплоидизации, геномных последствий полиплоидии, включая роль мобильных генетических элементов и асимметричной экспрессии гомеологов, а также влияние полиплоидии на качественные характеристики волокна. Эти данные проясняют историю эволюции этого рода и механизмы, регулирующие образование и удлинение волокна.

Несмотря на объем полученных данных, в геномике хлопка остается много нерешенных вопросов. Таким образом, изучение асимметрии субгенома с использованием LTR-элементов поможет уточнить эволюцию геномов Gossypium и их дивергенцию во времени. Анализ полиморфизма MGE может помочь идентифицировать гены, участвующие в развитии хлопкового волокна.

Кроме того, остаются неясными вопросы суб- и неофункционализации дублированных генов, а также механизм и взаимосвязь эпигенетической регуляции в асимметричной экспрессии гомеологичных генов.

Продолжение сравнительных транскриптомных и протеомных исследований также позволит более точно дифференцировать влияние естественного и искусственного отбора на культивируемые виды хлопчатника. В то же время эти исследования могут быть хорошей основой для более полной характеристики метаболических путей, лежащих в основе образования и развития волокон.

Такие исследования, как генотипирование и более точная сборка эталонных геномов, пан-геномные подходы (секвенирование генофонда в популяциях), анализ больших данных, редактирование генома, доместикация de-novo и геномный отбор, в сочетании с доступными данными, позволят более эффективное выращивание новых сортов хлопка с желаемыми свойствами, а также разработка индивидуальных технологий ведения сельского хозяйства для этой культуры.