人工合成水稻杂交种和四倍体核质协同进化

Polyploidization/whole genome doubling, as an important evolutionary event in plant evolution, occurs through the whole evolutionary history of plant species and has been accepted to be one of the major forces participating the plant speciation and further evolution. Recently, there have been many researches about the effects of polyploidization on the plant genome, including various alternations at the genomic, gene expression, and epigenetic levels. However, in recently formed polyploids, with stoichiometry ratio changes of nucleus versus cytoplasm in the cell, there are still few studies about the coordination/compatibility between the nuclear genome and the haploid organellar genome. Current research will utilize the Sanger sequencing, Next generation sequencing (NGS), and protein sequencing and quantification techniques to analyze the cytonuclear coordination in the reciprocal artificial hybrid and newly synthesized reciprocal tetraploids of two ricesubspecies at various levels such as genomic, transcriptional, and protein expression levels. We anticipate our research results can explain the pattern and mechanisms of cytonuclear co-evolution at the early stage of polyploid formation (after genome merger and further genome doubling) as well as explore the possible relationship between the cytonuclear coordination and polymorphic phenotypes in synthetic allopolyploid rice species.

多倍化/全基因组加倍现象作为贯穿于整个高等植物进化历史中的重要事件, 是推动植物物种形成与进化过程的重要推动力之一。近年来, 关于多倍化过程对基因组各个层面影响的研究大量涌现, 研究结果显示多倍化能够在基因组水平、基因表达水平以及表观遗传水平上引发大量变异。然而, 基因组的加倍必然会导致核质比例的改变, 有关多倍化后尤其是多倍体加倍初期，核基因组和单倍的细胞质基因组如何兼容的问题一直缺乏系统的研究。本研究拟通过采用Sanger测序、第二代测序(NGS, Next Generation Sequencing)，蛋白测序和定量的实验技术，对水稻亚种间新合成的正反交杂交种及异源四倍体内核质共编码蛋白复合物的基因进行分析。通过在基因序列、基因转录表达和蛋白表达水平上的比较研究，阐释在杂交后及多倍化早期核质协同的主要模式和机制，并在此基础上，探讨核质协同与水稻异源多倍体多态性表型之间存在的可能关系。

多倍化是植物物种形成和进化的重要驱动力之一。多倍化过程能够引发基因组、基因表达以及表观遗传修饰的大量变异。基因组的加倍事件必然会导致核质比例的失调（含双亲基因组的细胞核和单一亲本的细胞质），核内双亲核基因组需要与细胞质内单一亲本的细胞器基因组达到相应的协调是所有异源多倍体形成和进化过程中面临的共性问题。已有的研究利用Rubisco 的大小亚基编码基因rbcL和rbcS为模型，分析并发现了在自然多倍体中，多倍体在基因序列和基因转录水平上有着明显的核质协同进化现象，即：核内父本rbcS基因会发生偏向母方的基因转换和偏倚性表达母方基因拷贝的现象。然而，有关在杂交后以及多倍体形成初期核基因组和亲本的细胞质基因组如何协调仍旧缺乏系统的研究。在本项目中，我们综合利用了Sanger测序、第二代测序以及其它相关分子生物学研究技术，对水稻亚种间新合成的正反杂交种以及异源四倍体体内核质共编码蛋白复合物Rubisco的基因进行了系统的核质协同分析。通过研究发现，水稻亚种之间的rbcS基因存在着突变差异且呈现为协调均质的进化模式；在水稻杂交种和异源四倍体水稻中，亲本来源的rbcS等位基因或者部分同源基因的偏倚表达模式不一致，也没有偏向母系亲本拷贝的偏倚转换发生。相反，在异源四倍体水稻中，我们观察到不同亲本部分同源的rbcS基因间发生了明显的随机转换，并且在正反杂交种和异源四倍体中rbcS部分同源基因呈现为随机偏倚性表达。本项目揭示了在多倍体形成初期，水稻亚种间杂交种和异源四倍体未呈现出理想的核质协同模式。究其原因，可能由于亲本水稻亚种的核基因组和叶绿体基因组序列高度相似，胞质对亲本细胞核基因选择压力较弱，后者并不需要转换为与母系亲本拷贝一致状态来达到较为理想的核质协同状态；或者是由于水稻亚种间杂交种和异源四倍体的母方细胞质还没有足够的进化时间对双亲细胞核基因进行选择，因此没有呈现出明显的序列转换和基因表达的偏移。以上研究成果加深了我们对多倍化在植物物种形成和进化过程作用的认识，也为解释水稻异源多倍体表型多态性提供了一定的理论基础。