農學院張明方教授團隊在Nature Genetics發(fā)文揭示多倍體同源基因表達與選擇機制
? ? 多倍化是植物進化中的普遍現(xiàn)象，目前所有被子植物（開花植物）基因組都經歷過一次或多次多倍化過程，如小麥、棉花、甘藍型油菜等都是典型的多倍體作物?；蚪M多倍化在物種進化和基因組可塑性等方面起著重要作用，它一直是生命科學研究領域的一個熱點。芥菜（Brassica juncea，2n=36，AABB）是十字花科蕓薹屬重要作物之一，由祖先白菜（Brassica rapa，2n=20，AA）和黑芥（Brassica nigra，2n=16，BB）自然雜交后再經加倍形成的異源多倍體（圖a）。在長期進化過程中，主要演化為菜用和油用芥菜兩大類群，其中菜用芥菜主要分布在中國等東亞國家和地區(qū)，油用芥菜主要分布在印度等南亞國家和地區(qū)。菜用芥菜包括榨菜、雪里蕻等許多變種，是我國重要的加工蔬菜，特別是榨菜在浙江、四川、重慶等南方許多省市廣泛栽培。
? ? ? ??張明方教授團隊選擇了我國特有的異源四倍體榨菜為材料，通過基于Illumina、PacBio和BioNano等平臺的高通量測序技術，首次完成了異源四倍體榨菜的高質量基因組圖譜（圖b）。發(fā)現(xiàn)了蕓薹屬中芥菜（AABB基因組）和甘藍型油菜（AACC基因組）中A亞基因組起源于其祖先A基因組的不同亞種；從基因組水平上揭示了芥菜為單地理起源，其芥菜A亞基因組與白菜型油菜（B. rapa ssp. tricolaris）親緣關系更近，計算出芥菜物種形成于3.9-5.5萬年前（圖c）。從全基因組水平上，發(fā)現(xiàn)了芥菜亞基因組間16.2 %的同源基因存在顯著差異表達現(xiàn)象，進一步研究發(fā)現(xiàn)，具有顯著差異表達的同源基因表現(xiàn)出更快的進化速率。芥菜種內菜用和油用類群的分化過程中受選擇基因中36.3 %的基因具有同源基因表達差異現(xiàn)象，其中，影響菜用和油用芥菜類群分化的兩個重要營養(yǎng)與品質性狀（硫代葡萄糖苷和油脂代謝）相關基因，在亞基因組間同時表現(xiàn)出同源基因差異表達和受選擇的遺傳現(xiàn)象（圖d）。這一遺傳現(xiàn)象表明多倍體亞基因組間同源基因差異表達對多倍體演化起著重要作用。
? ? ? ??該研究結果于倫敦時間2016年9月5日以Article形式在線發(fā)表于Nature Genetics（Yang et al. The genome sequence of allopolyploid Brassica juncea and analysis of differential homoeolog gene expression influencing selection. Nature Genetics, 2016, doi:10.1038/ng.3657）。該刊5年影響因子為32.2。楊景華副教授為論文第一作者，張明方教授為通訊作者，浙江大學為第一作者單位和通訊作者單位。同時，該研究與北京百邁客生物科技有限公司、中國農科院蔬菜花卉研究所、美國內布拉斯加大學、澳大利亞西澳大學、印度德里大學、西藏大學農牧學院等國內外科研單位廣泛合作。該項研究結果在多倍體物種演化與重要農業(yè)性狀選擇研究上具有重要意義，Nature Genetics外審專家指出這些亞基因組間同源基因具有表達差異的基因對多倍體演化起著重要作用，可用于作物改良（suggesting that these genes may be contributing to novel features of polyploids and may also be preferential targets for crop improvement）。
? ? ? ??榨菜全基因組信息的解析不但可以推動芥菜類蔬菜作物分子育種的進程，同時，多倍體中同源基因表達差異與基因組選擇揭示了基因組可塑性的機制，可以從理論上預測重要農業(yè)性狀的選擇，推動對基因組育種的認識和應用。
該項研究成果得到了浙江省科技計劃公益技術研究農業(yè)項目、農業(yè)部財政專項和國家自然科學基金等項目的支持。
論文鏈接：? http://www.nature.com/ng/journal/vaop/ncurrent/full/ng.3657.html
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