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原禾基因組研究揭示禾本科植物早期演化曆史

文章来源:中國西南野生生物種質資源庫  |  发布时间:2021-01-27  |  作者:馬朋飛,刘云龙  |  浏览次数:  |  【打印】 【關閉

 

  禾本科(Poaceae)是被子植物的第五大科,約有77012000種,也是與人類生産和生活關系最爲密切、最具經濟價值的大科。該科植物包括我們賴以生存的主要糧食作物、飼料如水稻、小麥、玉米高粱和多種牧草還有其它有重要經濟價值的物種如蘆葦、芒、甘竹子。該科植物同時具有重要的生態價值,表現出了廣泛的生態適應性,從森林到草原、沼澤到荒漠、高山到北極都可見其身影。早期的植物分類系統將禾本科分爲2-6個亞科,包括竹亞科、早熟禾亞科、假淡竹葉亞科、蘆竹亞科、虎尾草亞科和黍亞科等,其中竹亞科除了木本竹子外,還包括稻族和一些草本竹子類群。近十年來的分子系統學研究將禾本科劃分成12個亞科,其中最早分化出來的3個基部亞科此前一直被置于竹亞科,其余的9個亞科組成了核心禾草支系。常見的禾本科植物及廣泛種植的農作物均來自于核心禾草類,現有的禾本科遺傳學、基因組學和進化研究都集中于此,系統演化位置關鍵的基部禾草則缺乏關注。在早期的分類系統中,基部的3個亞科的物種由于在形態和解剖學特征上與草本竹類相似,均長期被置于竹亞科中。3個亞僅有約27物種,卻保留了大量的禾本科祖先性狀,是解析該科特有性狀起源演化的關鍵環 

  中國科學院昆明植物研究所李德铢研究员带领的研究團隊,多年来致力于竹子的分类學、系統發育和基因組學研究。隨著研究的不斷深入,研究工作已從竹亞科的木本竹類逐漸擴展到草本竹子壹s禾本科基部類群。最近,該研究團隊在解析二倍體草本竹子和六倍體木本竹子基因組,並據此揭示竹亞科異源多倍化曆史的基礎上依托中国野生生物種质资源库,开展了禾本科基部類群原禾屬(Pharus)的基因组测序和进化基因组学研究。原禾屬禾本科最早分化出來的兩個亞科之一,分布于中南美洲的熱帶森林地區,是禾本科中最早演化出来小穗结构的類群。小穗是在禾本科植物演化産生的獨特的花結構,其形態特征與農作物的産量密切相關。 

  研究團隊利用三代PacBio測序技術和Hi-C技術获得了原禾屬植物Pharus latifolius染色體級別的參考基因組序列,組裝基因組大小爲1.0 Gb,經過多種方法評估驗證了基因組的可靠性和准確性。與禾本科常見植物如水稻、高粱壹s岸穗短柄草的參考基因組等相比,P. latifolius基因組較大,與其更古老的重複序列插入有關,並且蛋白質編碼基因第三位密碼子的GC含量分布与核心禾本科類群不同,卻与禾本科近缘類群相似,显示出其基因组特征的古老性。同时,该物種的分子进化速率也远低于禾本科核心類群。利用基因组共线性、重複基因同義替換率和構建系統樹等綜合分析,揭示了P. latifolius在進化曆史中發生了全基因組加倍(Whole-genome duplication, WGD)事件,並且证实该加倍事件与核心類群所共享,即禾本科的ρ-WGD事件,並推斷出其發生在白垩紀(98.2個百万年前。之后大約8百万年,原禾屬所代表的支系与其它核心類群發生分化。然而,ρ-WGD之後的二倍化過程在基部和核心禾草支系中表現出巨大差異,核心禾草支系经历了更快的重复基因丢失和更多染色体水平的变异,這可能与核心支系發生了産生更多物種的輻射分化有關。在進化基因組學分析的基礎上,研究團隊还重點分析了與小穗發育相關的FRIZZY PANICLE (FZP)基因和MADS-box基因家族的轉錄表達情況與演化曆史。發現FZP基因在P. latifolius中有兩個拷贝,其中一個拷贝与来自竹亞科毛竹的基因构成姐妹群,而在其它核心類群中均为单個拷贝,同时发现MADS-box家族編碼基因數目的增加直接與ρ-WGD事件相关,這为后续的功能验证最终解析禾本科小穗這一关键农艺性状起源演化的遗传机制提供了基础。 

  該研究成果以“The Pharus latifolius Genome Bridges the Gap of Early Grass Evolution”爲題在國際植物學頂級期刊The Plant Cell發表。昆明植物研究所種質資源庫馬朋飛博士和刘云龙博士为论文共同第一作者,李德铢研究员为通讯作者。该研究得到了中國科學院战略性先导科技专项(No. XDB31000000)、國家自然科學基金項目(No. 31770239)和中國科學院青年促进会(No. Y201972)項目的支持。 

  論文鏈接

 

圖1. 基于480個单拷贝核基因构建的禾本科系統發育樹和時間標定 

 

圖2. 禾本科小穗發育相關基因FZP和MADS-box基因家族的演化 

(責任編輯:李雪)

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