https://mp.weixin.qq.com/s/WdjOH5kCvfvHqzYMK6cB9w

原創(chuàng) 張仁綱，馬永鵬

共線性（synteny）是指同源基因在染色體上的保守排列現(xiàn)象，其基因順序源于共同祖先。依據(jù)演化起源差異，共線性可劃分為兩大類型：直系同源共線性（orthologous synteny）由物種分化事件產(chǎn)生，旁系同源共線性（paralogous synteny）則由基因組復(fù)制事件（例如whole-genome duplication,WGD）形成。值得注意的是，旁系同源共線性根據(jù)基因組復(fù)制與物種分化時(shí)間的相對(duì)順序可進(jìn)一步細(xì)分為兩類：當(dāng)復(fù)制事件早于物種分化時(shí)形成外旁系同源共線性（out-paralogous synteny），反之則產(chǎn)生內(nèi)旁系同源共線性（in-paralogous synteny）。在植物基因組演化研究中，頻繁發(fā)生的WGD事件導(dǎo)致旁系同源共線性在基因組中廣泛存在，因而對(duì)直系同源共線性的準(zhǔn)確鑒定構(gòu)成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，中國(guó)科學(xué)院昆明植物研究所馬永鵬研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國(guó)際、國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)開發(fā)了直系同源指數(shù)（Orthology Index，OI），以度量共線性的直系同源水平，其定義為種間共線性區(qū)塊內(nèi)直系同源基因的占比。理想狀態(tài)下，直系/外旁系共線性的OI值分別趨近于1和0；實(shí)際分析表明二者呈現(xiàn)兩級(jí)分化的特征（高OI值 vs 低OI值），據(jù)此可有效區(qū)分兩類共線性（圖1）。通過(guò)對(duì)近百例真實(shí)植物基因組數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證及利用模擬數(shù)據(jù)集進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試，確認(rèn)了OI方法在識(shí)別直系同源共線性上的穩(wěn)健性和準(zhǔn)確性。相較于傳統(tǒng)KS分析及其他工具（如QUOTA-ALIGN、WGDI -c、MCScanX_h、SCORPiOs等），OI在WGD與物種分化時(shí)間間隔（ΔT）較小時(shí)展現(xiàn)出更高的準(zhǔn)確度和穩(wěn)健性（圖2）。同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了自動(dòng)化分析工具SOI（https://github.com/zhangrengang/SOI），支持共線性可視化、過(guò)濾及下游系統(tǒng)發(fā)育分析。

該方法在基因組演化研究中具有廣泛的應(yīng)用前景，包括但不僅限于：1)WGD事件準(zhǔn)確鑒定：通過(guò)直系同源共線性模式解析了傘形科與五加科共享的四倍化事件及特異性WGD事件；2) 網(wǎng)狀演化歷史的準(zhǔn)確推斷：揭示了擬南芥、花生、小麥和罌粟等物種的雜交/異源多倍化歷史；3) 系統(tǒng)發(fā)育重建：利用OI推斷的直系同源基因群（SOGs），重建了核心真雙子葉植物演化框架，解決了基于傳統(tǒng)orthogroups方法的外旁系基因干擾問(wèn)題。

該研究以SOI: Robust identification of orthologous synteny with the Orthology Index and broad applications in evolutionary genomics為題發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Nucleic Acids Research 上。中國(guó)科學(xué)院昆明植物研究所張仁綱和尚鴻運(yùn)博士研究生為共同第一作者，中國(guó)科學(xué)院昆明植物研究所馬永鵬研究員、比利時(shí)皇家法蘭德斯科學(xué)院院士Yves Van de Peer教授、山東省農(nóng)科院賈凱華副研究員為共同通訊作者，英國(guó)愛丁堡大學(xué)Richard Ian Milne教授、比利時(shí)根特大學(xué)Fabricio Almeida-Silva博士和陳亨馳博士、中國(guó)科學(xué)院昆明植物研究所周敏潔碩士研究生和舒恒碩士研究生（已畢業(yè)）參與了本工作。該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2022YFF1301700)、昆明植物所戰(zhàn)略先導(dǎo)計(jì)劃 (KIBXD202401) 等項(xiàng)目的支持。

點(diǎn)擊“閱讀原文”查看文章鏈接。

圖1.OI檢測(cè)直系同源的共線性：以毛白楊-長(zhǎng)梗柳為例。A）楊柳屬的基因組演化歷史，共享一次古六倍化和古四倍化。B）WGDI檢測(cè)的共線性，肉眼可識(shí)別不同演化事件導(dǎo)致的KS和重排程度不同的共線性，但難以用固定標(biāo)準(zhǔn)來(lái)區(qū)分。C）OrthoFinder2檢測(cè)的直系同源基因，存在大量的外旁系同源基因。D）以上兩者優(yōu)勢(shì)結(jié)合，計(jì)算OI值，顯示直系同源和外旁系同源的共線性呈兩極分化的態(tài)勢(shì)。E）設(shè)定OI閾值過(guò)濾，得到清晰的直系同源共線性。

圖2. OI在真實(shí)數(shù)據(jù)集和模擬數(shù)據(jù)集中的表現(xiàn)。A）近百個(gè)真實(shí)案例中（多倍化歷史各異），OI基本都呈兩極分化的式樣，因此可設(shè)置統(tǒng)一閾值進(jìn)行過(guò)濾。B）OI噪音受ΔT影響，因此ΔT假定為演化的關(guān)鍵參數(shù)。C）模擬不同ΔT下，OI與的KS分辨度比較，顯示ΔT較小時(shí)，OI可有效分辨兩類共線性。D）模擬不同ΔT下，不同OI閾值檢測(cè)直系同源基因的精確度和召回率比較。E）模擬不同ΔT下，OI對(duì)檢測(cè)直系同源基因的精確度和召回率的提升。F）通過(guò)模擬不同ΔT和不同染色體重排程度，比較OI和其他方法對(duì)檢測(cè)直系同源基因的精確度和召回率。

文：張仁綱，馬永鵬