Роль цис- и транс-регуляторных вариантов в различии окраски цветков у лотосов

Изменения в паттернах экспрессии генов (rewiring) часто лежат в основе фенотипической эволюции недавно дивергировавших видов. Эти изменения могут быть вызваны мутациями как в цис-регуляторных областях (промотор) самого гена, так и в генах транс-действующих регуляторов (транскрипционные факторы). Однако вклад цис- и транс-регуляторных вариантов в дифференциацию экспрессии генов на уровне всего генома, ведущую к фенотипическим различиям в цветках близкородственных видов, изучен недостаточно.

Исследователи из Уханьского ботанического сада Китайской академии наук выбрали в качестве объектов два вида лотоса: Nelumbo nucifera с красными цветками и Nelumbo lutea с жёлтыми, а также их F1 гибриды. На основе данных ресеквенирования и секвенирования транскриптома родителей и гибридов был проведён глобальный аллель-специфичный анализ экспрессии, чтобы оценить относительный вклад геномных цис- и транс-регуляторных различий в дифференциацию окраски цветков между видами.

В сочетании с данными о содержании общих антоцианидинов и каротиноидов, полученными методом высокоэффективной жидкостной хроматографии (HPLC), учёные сосредоточились на роли цис- и транс-регуляторных вариантов в работе ключевых генов путей биосинтеза антоцианов и каротиноидов.

Ключевые результаты

  • Транс-регуляторные варианты имели более высокую корреляцию с дифференциацией экспрессии генов в тканях лепестков между двумя видами. Гены с достоверно более высокой экспрессией у N. lutea чаще регулировались транс-вариантами.
  • Хаб-гены в модулях взвешенных коэкспрессионных сетей, связанных с антоцианами и каротиноидами, преимущественно регулировались только транс-вариантами с доминантным типом наследования. Это указывает на перестройку (rewiring) регуляторных сетей генов антоцианов и каротиноидов между видами.
  • Наследование экспрессии в гибридах F1 зависело от типа регуляции:
    • Гены под только цис-регуляцией — обогащены аддитивным наследованием.
    • Гены под только транс-регуляцией — обогащены доминантным наследованием.
    • Гены под антагонистическим действием цис- и транс-эффектов (компенсирующие и компенсаторные варианты) — обогащены трансгрессивным наследованием.
  • В контексте плейотропных ограничений гены под только транс-регуляцией демонстрировали более широкую широту экспрессии и более высокий её уровень по сравнению с генами под только цис-регуляцией. Они с большей вероятностью сохранялись после дупликации всего генома лотоса и подвергались более сильному давлению отбора.

Гены-драйверы различий в окраске

В модулях WGCNA, связанных с путями биосинтеза антоцианов и каротиноидов, были идентифицированы известные гены под действием цис- и транс-регуляторных вариантов:

  1. Ген антоцианин-5-ароматической ацилтрансферазы (под компенсирующей цис-транс регуляцией) и ген глутатион-S-трансферазы F11 (под усиливающей цис-транс регуляцией) имели гораздо более высокую экспрессию у N. nucifera, что способствует накоплению антоцианов.
  2. Уровень экспрессии гена ликопин-ε-циклазы был достоверно выше у N. lutea, что способствует накоплению каротиноидов.

Различия в экспрессии этих трёх генов оказали важное влияние на дифференциацию окраски цветков между двумя видами лотоса. Результаты исследования дают новое представление о генетических механизмах фенотипического полиморфизма у Nelumbo.

Исследование опубликовано в журнале Plant Physiology под названием "Expression inheritance and constraints on cis-and trans-regulatory mutations underlying lotus color variation".