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Nat Genet:浙大张明方研究组等揭示多倍体同源基因表达与选择机制

摘要 : 2016年9月5日,国际学术权威刊物自然出版集团旗下子刊《Nature Genetics》杂志在线发表了浙江大学农学院张明方教授研究组和美国内布拉斯加大学Sally A Mackenzie教授研究组共同合作发表的题为“The genome sequence of allopolyploid Brassica juncea and analysis of differential homoeolog gene expression influencing selection”研究论文

 2016年9月5日,国际学术权威刊物自然出版集团旗下子刊《Nature Genetics》杂志在线发表了浙江大学农学院张明方教授研究组和美国内布拉斯加大学Sally A Mackenzie教授研究组共同合作发表的题为“The genome sequence of allopolyploid Brassica juncea and analysis of differential homoeolog gene expression influencing selection”研究论文,浙大杨景华副教授为论文第一作者,张明方教授为通讯作者。

多倍化是植物进化中的普遍现象,目前所有被子植物(开花植物)基因组都经历过一次或多次多倍化过程,如小麦、棉花、甘蓝型油菜等都是典型的多倍体作物。基因组多倍化在物种进化和基因组可塑性等方面起着重要作用,它一直是生命科学研究领域的一个热点。芥菜(Brassica juncea,2n=36,AABB)是十字花科芸薹属重要作物之一,由祖先白菜(Brassica rapa,2n=20,AA)和黑芥(Brassica nigra,2n=16,BB)自然杂交后再经加倍形成的异源多倍体(图a)。在长期进化过程中,主要演化为菜用和油用芥菜两大类群,其中菜用芥菜主要分布在中国等东亚国家和地区,油用芥菜主要分布在印度等南亚国家和地区。菜用芥菜包括榨菜、雪里蕻等许多变种,是我国重要的加工蔬菜,特别是榨菜在浙江、四川、重庆等南方许多省市广泛栽培。

张明方教授团队选择了我国特有的异源四倍体榨菜为材料,通过基于Illumina、PacBio和BioNano等平台的高通量测序技术,首次完成了异源四倍体榨菜的高质量基因组图谱(图b)。发现了芸薹属中芥菜(AABB基因组)和甘蓝型油菜(AACC基因组)中A亚基因组起源于其祖先A基因组的不同亚种;从基因组水平上揭示了芥菜为单地理起源,其芥菜A亚基因组与白菜型油菜(B. rapa ssp. tricolaris)亲缘关系更近,计算出芥菜物种形成于3.9-5.5万年前(图c)。从全基因组水平上,发现了芥菜亚基因组间16.2 %的同源基因存在显著差异表达现象,进一步研究发现,具有显著差异表达的同源基因表现出更快的进化速率。芥菜种内菜用和油用类群的分化过程中受选择基因中36.3 %的基因具有同源基因表达差异现象,其中,影响菜用和油用芥菜类群分化的两个重要营养与品质性状(硫代葡萄糖苷和油脂代谢)相关基因,在亚基因组间同时表现出同源基因差异表达和受选择的遗传现象(图d)。这一遗传现象表明多倍体亚基因组间同源基因差异表达对多倍体演化起着重要作用。

研究结果在多倍体物种演化与重要农业性状选择研究上具有重要意义,Nature Genetics外审专家指出这些亚基因组间同源基因具有表达差异的基因对多倍体演化起着重要作用,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)。

榨菜全基因组信息的解析不但可以推动芥菜类蔬菜作物分子育种的进程,同时,多倍体中同源基因表达差异与基因组选择揭示了基因组可塑性的机制,可以从理论上预测重要农业性状的选择,推动对基因组育种的认识和应用。

01-1473734134-3039106

原文链接:

The genome sequence of allopolyploid Brassica juncea and analysis of differential homoeolog gene expression influencing selection

原文摘要:

The Brassica genus encompasses three diploid and three allopolyploid genomes, but a clear understanding of the evolution of agriculturally important traits via polyploidy is lacking. We assembled an allopolyploid Brassica juncea genome by shotgun and single-molecule reads integrated to genomic and genetic maps. We discovered that the A subgenomes of B. juncea andBrassica napus each had independent origins. Results suggested that A subgenomes of B. junceawere of monophyletic origin and evolved into vegetable-use and oil-use subvarieties. Homoeolog expression dominance occurs between subgenomes of allopolyploid B. juncea, in which differentially expressed genes display more selection potential than neutral genes. Homoeolog expression dominance in B. juncea has facilitated selection of glucosinolate and lipid metabolism genes in subvarieties used as vegetables and for oil production. These homoeolog expression dominance relationships among Brassicaceae genomes have contributed to selection response, predicting the directional effects of selection in a polyploid crop genome.

来源: Nature Genetics 浏览次数:0

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