Insights on the mode of inheritance of eQTLs and on the contribution of stabilizing and directional election in shaping the evolution of the phosphate starvation transcriptome in Arabidopsis

Abstract

La variación natural intraespecífica refleja en parte la capacidad de una especie para adaptarse a entornos locales. Dado que el nivel clave de regulación de la actividad de un gen se sitúa en el control transcripcional, no resulta sorprendente la extensa variación en expresión génica subyacente a la diversidad fenotípica observada entre individuos de una misma especie. En este estudio nos hemos centrado en la respuesta al ayuno de fosfato (PSR) en la especie Arabidopsis thaliana para profundizar en cuestiones fundamentales sobre variación de la expresión génica, como lo son las características de los efectos reguladores en cis y en trans, su modo de herencia, la contribución de la selección estabilizadora y direccional a su regulación, así como las posibles asociaciones entre cambios de expresión y diversidad fenotípica. Para ello hemos empleado dos aproximaciones, una basada en análisis transcriptómicos comparativos entre dos accesiones (Landsberg erecta, Ler; y Llagostera, Ll-0) y sus híbridos de la primera generación filial (F1), que han revelado la baja aunque significativa contribución de los efectos maternos y la impronta genómica en las diferencias de expresión entre accesiones, así como la influencia de las condiciones ambientales y las señales de desarrollo en la manifestación de los efectos reguladores en cis y en trans. La segunda aproximación, basada en estrategias de genética cuantitativa clásica, nos ha permitido identificar QTLs de expresión (eQTLs) en híbridos de líneas recombinantes consanguíneas (RILs) cruzadas con sus progenitores Ler y Ll-0. Los cis-eQTLs mostraron una distribución moderadamente uniforme a lo largo del genoma, mientras que la mayor parte de los trans-eQTLs se encontraron formando parte de agrupamientos mayores (hotspots) en vez de separados unos de otros. Hemos analizado los genes asociados a estos hotspots en cuanto a sus características de expresión, y al enriquecimiento en categorías funcionales y en genes diana de factores de transcripción, señalando que un único gen podría ser el gen causal de cada hotspot. Asimismo, se han identificado tres hotspots potencialmente reguladores de aspectos clave de la PSR. Además, hemos identificado factores de transcripción candidatos a ser los genes causales de varios hotspots. Nuestros resultados muestran que el modo de herencia más frecuente en los cis-eQTLs es la codominancia y para los trans-eQTLs es la dominancia, mientras que los casos de sobredominancia fueron muy escasos (0% en los cis- y <0,025% en los trans-eQTLs). Además, hemos detectado en los trans-eQTLs un mayor impacto de la selección estabilizadora respecto a la selección direccional y, en contraste, una mayor prominencia de esta última en los cis-eQTLs. Este y otros hallazgos subrayan la mayor evolucionabilidad de los cis-eQTLs, que actúan sobre un solo gen, respecto a los trans-eQTLs, que influyen en la expresión de muchos genes. Finalmente, hemos detectado correspondencias con un potencial significado biológico entre caracteres fenotípicos relacionados con la PSR y algunos hotspots y módulos de coexpresión génica, lo cual abre la posibilidad de identificar genes de interés agronómico mediante el uso de métodos para analizar la regulación de redes transcripcionales