Mol Plant | 中科院植物研究所焦远年课题组揭示古多倍化对被子植物适应性进化的贡献
2019年11月1日，Molecular Plant杂志在线发表了中国科学院植物研究所系统与进化植物学国家重点实验室焦远年课题组题为Genetic contribution of paleopolyploidy to adaptive evolution in angiosperms的 研究论 文。该研究从遗传基础层面揭示了古多倍化在被子植物适应剧烈环境变化过程中起到的重要作用。https://www.cell.com/molecular-plant/fulltext/S1674-2052(19)30359-4
多倍化（polyploidy）或全基因组加倍（whole genome duplication, WGD）事件使基因组内的所有基因都发生重复，为生物进化提供了原始的遗传材料，被认为是进化的加速器。多倍体植物广泛存在于自然界中，如我们日常生活中的棉花、小麦、油菜等。多倍体作物多具有明显的优势，其生物量与经济产量高、生物逆境与非生物逆境抗性好、水肥利用效率高。多倍体植物在进化过程中又回到二倍体的过程成为二倍化。前期研究发现多倍化在有花植物进化过程中尤其频繁，而且在现存的被子植物和种子植物分化之前，曾分别发生过加倍事件，可能对花和种子的产生有重要贡献 (Jiao et al., 2011)。通过植物多倍化的研究对于生物进化、物种保护及遗传育种等方面都具有重要的理论指导意义及实践应用价值。
多倍化后重复基因发生新功能化和亚功能化，对促进物种分化及生物的适应性进化具有重要意义。在65个百万年前生物大灭绝时期（恐龙灭绝时期），一些不同进化分支上的植物祖先基因组就独立发生了频繁的多倍化事件，因此很多研究推测多倍化事件的发生可能是现存大多数被子植物祖先从生物大灭绝事件中存活下来的主要原因。然而， 多倍化事件如何促进被子植物的适应性进化仍不清楚。
为了揭示古多倍化对被子植物适应性进化的贡献，中国科学院植物研究所焦远年研究团队挑选了被子植物的代表物种和外类群（图1），通过整合系统发育基因组学、基因组共线性、同义替换速率、基因功能富集和调控网络解析等方法，解析了全基因组水平的基因家族的进化历史，探讨了古环境剧烈变化时期在不同进化分支上发生的多倍化事件后保留的重复基因及其对调控网络进化的影响，揭示了现存植物祖先在受到共同环境剧烈变化选择压力下，不同分支上的多倍化事件对胁迫调控网络重塑的共同模式，从而在基因和调控网络层面提供了古多倍化对被植物适应性进化的遗传证据。
图1. 被子植物进化历史中发生的多倍化事件及其保留的重复基因
该研究运用生物信息学和基因组学多种分析方法，准确鉴定了多倍化事件后保留下来的重复基因，研究发现特定历史时期不同进化分支独立发生的多倍化事件共同保留了适应特定环境变化的重复基因，特别是发现了白垩纪-古新世生物大灭绝时期发生的全基因组加倍事件后共同保留的重复基因中包含了适应寒冷（图 2）和黑暗等剧烈环境变化的关键基因，且这些重复基因使得相应调控网络发生了重塑和复杂化，增强了植物对环境胁迫的适应能力。此外，该研究还发现多倍化后不同转录因子家族的保留具有偏好性，高保留的转录因子基因家族在植物应对环境胁迫中具有重要作用。上述研究结果不仅表明多倍化在被子植物的适应性进化中具有重要的作用，而且为古多倍化如何帮助植物适应剧烈环境变化提供了明确的遗传证据。
图2. 生物大灭绝时期多倍化后冷胁迫调控网络的进化模式
中国科学院植物研究所焦远年研究员为论文的通讯作者，博士生武生聃为论文的第一作者，博士后韩保财参与了部分工作。本研究得到了中国科学院战略性先导项目和中国科学院植物研究所系统与进化植物学国家重点实验室的资助。
来源： Mol Plant公众号。
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