Science背靠背（一）丨叉枝蝇子草基因组解析巨大Y染色体演化
叉枝蝇子草（Silene latifolia，石竹科）为雌雄异株植物，因其具有一个巨大的Y染色体（大小约550M）而备受关注。
近期国际顶级期刊《Science》背靠背发表了两篇研究叉枝蝇子草Y染色体的研究进展，本期我们将介绍其中一篇相关研究，论文标题为“The Silene latifolia genome and its giant Y chromosome”。作者组装了染色体级别的叉枝蝇子草基因组序列。同时利用近缘非雌雄异株Silene物种的高质量基因组作为外类群，推演了叉枝蝇子草性染色体的演化历程。并最终鉴定了候选性别决定基因。
一、性染色体的结构与基因组成
作者采用ONT测序组装了复杂的叉枝蝇子草基因组，获得了高质量的X与Y染色体。在X和Y染色体因大量SNPs和indels而分化的系统中，严格比对参数下的雌/雄测序深度比在常染色体、X染色体和Y染色体上应分别约为1、2和0，与数据一致。此前经实验验证的部分性连锁基因也如预期定位至先前确定的X或Y染色体位置。
获得的X染色体序列长度为346 Mb，通过性别特异性重组数据、雌/雄测序覆盖度比及差异表达分析，作者鉴定了假常染色体区（PAR）。该PAR是一个25 Mb的小型基因富集区，包含1286个基因。Y染色体组装（不含PAR）长度为485 Mb。Y特异性着丝粒重复序列将功能性着丝粒及一个残留的古老着丝粒（假着丝粒）定位至预期区域。
图1：雄性叉枝蝇子草基因组组装
表1：雄性叉枝蝇子草基因组组装情况
二、性染色体的演化
高质量X与Y染色体组装结果的获得，为揭示叉枝蝇子草性染色体间重组抑制的演化机制提供了新见解。作者检测到三个演化层（S1、S2和S3）及性染色体（尤其是Y染色体）上的广泛重排。
新发现的S3将最古老的S1分割为S1a和S1bc两个亚层。S3与S2层具有相近的X-Y dS均值，但S3层显示出更高的X-Y同线性，分子钟分析估算S2和S3分别形成于540万和440万年前，而S1可追溯至1180万年前，推测为叉枝蝇子草性染色体的起源时间。
与近缘两性物种的比较基因组分析显示，Y染色体存在显著重排。S3保留了4 Mb的X-Y同线性区域。重排重建结果表明，S1层可能通过性染色体演化早期的两次倒位形成。
TE分析揭示Y染色体具有极高的TE密度，X染色体着丝粒周围区域也呈现类似特征。Y染色体表现出严重退化迹象：62%的保守基因在Y上缺失，而假基因则呈现相反趋势。表观遗传分析表明，Y连锁基因表达降低与其启动子区CHH型高甲基化及24-nt小RNA富集相关。
图2：叉枝蝇子草性染色体的演化
三、性染色体上的性别决定基因
作者通过对18个特征明确的Y染色体缺失性别表型突变体进行低深度测序，鉴定了候选性别决定基因。遗传标记将这些缺失大致定位在Y染色体的三个性别决定区域：一个单独的雌性抑制区[携带雌蕊抑制因子(GSF)]和两个雄性促进区[一个携带雄蕊促进因子(SPF)，另一个携带影响花粉产生的雄性育性因子(MFF)]。SPF和MFF突变体在表型上具有较大差异，这些区域可能包含多个影响这些表型的基因。
将突变体的测序数据与来自同一群体的表型正常对照个体的数据一起比对到参考Y染色体上后，清晰识别出每类突变体特有的缺失区域：GSF突变体类别有4个缺失区域，SPF有2个，MFF有3个。
GSF缺失区域包含Y染色体上的Clavata3基因，而在X染色体上有一个配子同源假基因。雌蕊促进因子Wuschel1存在于X染色体上，而在Y染色体上缺失。此结果独立证实了这对基因在叉枝蝇子草雌性育性或败育决定中的作用。
作者发现了多个MFF候选基因，包括slCyp704B1-Y，仅在叉枝蝇子草雄花发育晚期表达。另一个MFF候选基因是slTHI1-Y，与拟南芥THI1基因同源，对花粉成熟至关重要，也被注释为雄性育性基因。
基于缺失突变体，作者鉴定了一个SPF候选基因。slSCL4-Y基因因提前终止密码子而假基因化，但在性别决定的花蕾期表达。该假基因的缺失导致叉枝蝇子草花的雄性功能丧失，作者推测其作为长链非编码RNA（lncRNA）的表达对性别决定至关重要。
根据这些基因在X染色体上的位置，slWUS1和slCLV3均位于S1，slCyp704B1-Y MFF候选基因虽然没有X配子同源基因，但其直系同源基因位于S. conica第1号染色体，与X染色体S2中部同源的共线性区域中。slTHI1则位于S3。X染色体上的一个倒位与S1ab区重合，Y染色体上的一个倒位与S1c区重合，这表明这些倒位抑制了性染色体之间的重组，从而形成了S1ab和S1c。因此，潜在的GSF性别决定基因集中在最古老的S1。这与植物雌雄异株演化模型一致：最初存在未知的雄性不育突变，随后出现部分雌性抑制突变，从而产生抑制重组的选择压力。作者在叉枝蝇子草中检测到的GSF候选基因，以及形成S1ab的臂内倒位，均与该模型一致。另一方面，MFF区域在雌雄异株确立后很久才演化出来，并与S2相关。MFF基因可能只是从X染色体上丢失的雄性功能基因，或者它们可能具有性别拮抗效应，从而促进了S2层的形成。
图3：性别突变体中缺失基因的鉴定
结语
本研究组装了高质量的叉枝蝇子草雄性基因组。通过将性染色体与近缘物种的同源染色体进行比较分析，发现Y染色体高度重排且严重退化。X与Y染色体之间的重组抑制分多个阶段扩展，导致Y染色体及X染色体非重组着丝粒周围区域大量重复序列堆积，从而形成巨型性染色体。借助性别表型突变体，作者在Y染色体上定位了候选性别决定基因，其分布位置与距今1100万年前和500万年前发生的重组抑制事件相吻合。
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