大麦（Hordeum vulgare）是一种高度适应性的谷类作物，广泛应用于食品、饲料和饮料行业。其二倍体自交的遗传特性，对于温带谷类作物的遗传多样性及适应性的研究至关重要。近年来通过比较不同基因型的染色体水平的组装结果，揭示了大麦基因组中的遗传变异，形成了泛基因组（pan-genome）。然而，这些基因组在转录层面的多样性尚未得到充分解析。本研究通过构建大麦的泛转录组，探究了不同基因型之间转录变异的复杂机制，揭示了转录多样性的驱动因素及其对基因表达的影响。

英文标题：A barley pan-transcriptome reveals layers of genotype-dependent transcriptional complexity

发表期刊：Nature Genetics

发表时间：2025.2（IF：31.7）

实验设计

材料选取：选取20个代表性大麦基因型（涵盖栽培和野生品种）的胚胎组织、幼苗根、幼苗茎、发育中的花序和颖果等5种组织，种子在标准温室条件下萌发和生长，部分基因型经历春化处理（2周4°C）以模拟自然生长周期。

测序策略：Illumina短读长和PacBio长读长RNA测序。

泛转录组构建：通过线性泛基因组框架整合多个基因型特异性参考转录组，构建了泛转录组PanBaRT20。

功能分析：包括差异表达分析、共表达网络构建、调控元件分析、结构变异分析，并构建参考品种Morex的基因表达图谱。

研究结果

1. 泛转录组PanBaRT20构建及其多样性

研究选取20个代表性大麦基因型，对胚胎组织、幼苗根、幼苗茎、发育中的花序和颖果等五种组织进行RNA-Seq和PacBio Iso-seq（图1a），结果显示组织类型是转录本多样性的主要驱动因素（图1b）。分别构建各基因型特异性参考转录数据集（GsRTDs），发现其基因数量在35500~40800之间，平均每个基因有3.22个转录本，显著多于传统单一的基因组注释的转录本数量。在此基础上，以线性泛基因组框架构建泛转录组PanBaRT20，包含了79600个基因和582000个转录本，并且可分为核心、外壳和云基因（图1c）。进一步对比分析发现，GsRTDs 的量化准确性最高，而PanBaRT20比单一参考注释更加全面（图1d）。

图1：泛转录组PanBaRT20构建及其多样性

2. 转录表达变化的驱动因素

研究发现，与GsRTDs相比，PanBaRT20中每个基因的转录本数量显著增加，反映在非冗余剪接位点增多。例如，在核心单拷贝基因高表达转录本中，存在多种可变剪接事件（图2a）。同时，基因的存在/缺失（PAV）和拷贝数变异（CNV）可以影响转录表达，如2925个基因在部分基因型中表达为零，723个串联重复基因中有98个基因的拷贝数与转录本丰度显著相关（图2b、c）。此外，结构变异（SV）也可以影响基因表达，例如染色体7H上的141Mb倒位使得与谷物性状相关的淀粉代谢基因下调（图2d）。进一步分析发现低变异系数（CV）基因的转录因子结合位点（TFBS）相似性与表达一致性相关（图2e、f），表明TFBS变异对基因表达也有影响。

图2：转录表达变化的驱动因素

3. 基因型特异性共表达网络分析

基于WGCNA分析，对核心单拷贝基因进行共表达网络构建和比较分析，得到738个共表达模块，这些模块被分为6个功能聚类（图3a）。其中，部分聚类与特定组织和生物学过程显著相关，大量核心直系同源基因在聚类间分布，且同一聚类内的直系同源基因表达相关性更高（图3b、c）。同时，研究还发现一些基因在不同基因型中存在功能多样化和特异性转录反应，如MADS-box蛋白等转录因子相关基因（图3d）。

图3：基因型特异性共表达网络分析

4. Morex基因表达图谱的构建与应用

结合PanBaRT20泛转录组，研究构建了基因组参考品种Morex的基因表达图谱，并对20个大麦基因型在不同组织部位、发育阶段以及环境刺激下的基因表达情况进行了全面的对比分析，结果显示组织和器官是转录变异的主要驱动因素（图4b、c）。对12292个与泛转录组核心单拷贝基因匹配的Morex基因进行共表达分析，得到多个单一聚类，表明基因在生长发育和环境响应中具有不同功能（图4d）。

图4：Morex基因表达图谱的构建与应用

5. GA2ox基因对农艺性状的影响

基于泛转录组，进一步分析赤霉素2-氧化酶（GA2ox）基因家族，发现GA2ox7主要在颖果中表达，而GA2ox3在多种组织中均有表达，且其表达受环境胁迫影响（图5）。田间试验结果表明，ga2ox7突变型的产量、千粒重和淀粉含量均有所降低，在麦芽糖化过程中，α-淀粉酶和游离糊精酶的活性也显著下降；ga2ox3突变型在正常季节产量表现正常，但在受到涝灾影响时，其农艺性能明显下降。这一系列结果表明，GA2ox7过表达可以提高产量和谷物品质，而GA2ox3过表达则可能在恶劣气候条件下改善作物的农艺性能。

图5：GA2ox基因对农艺性状的影响

研究总结

本研究通过泛转录组分析，深入解析了大麦基因型控制的转录复杂性，包括转录本丰度变异的驱动因素和基因共表达网络的特征。这些结果有助于深入理解大麦遗传多样性的功能影响，为大麦分子育种和功能基因研究提供了重要资源和理论基础。

参考文献：Guo W, Schreiber M, Marosi V B, et al. A barley pan-transcriptome reveals layers of genotype-dependent transcriptional complexity[J]. Nature Genetics, 2025: 1-10.