野生大豆适应不同病原环境的微进化过程与多基因作用机制

The rapid advancements of genomics and sequencing techniques have made it possible to comprehensively compare the genetic differences between individuals from varied environments; to find strongly diversified genetic loci, and to study the adaptive evolution at population level by focusing on multiple key character-relevant loci. In this project, we investigate two populations of wild soybean (Glycine soja), one at the Northeast China and the other at the Southern China, to see how multiple R gene loci relevant to soybean mosaic virus (SMV) or soybean cyst nematode (SCN) resistances evolved differently and adapt to their specific pathogenic environments. The progress made by this project would to a large extent, enhances our understanding on how different populations of a given species adapt (through mutation and selection) to various pathogenic environmental pressures. It would also guide us to better protect and utilize soybean genetic resources.

基因组学和测序技术的快速发展为我们全面比较不同环境中生物个体的遗传差异、寻找强烈分化的基因位点，进而在种群水平上研究生物性状的适应性演化奠定了基础。本项目拟选取在我国广泛分布的野生大豆（Glycine soja）为植物寄主，以分布区和类群特点都存在显著差异的两种大豆严重病害（大豆花叶病毒和大豆胞囊线虫）为病原，研究在差异化的病原胁迫环境中，两个不同种群的野生大豆（北方种群和南方种群）多个相关R基因位点的演化历史和抗病特性的变化，揭示和探索植物适应不同病原环境的基本机制和规律，并为大豆抗病基因资源的保护、利用和抗病育种提供理论支持。

植物抗病基因（R基因）的演化是植物与环境中病原相互作用的结果。本项目选取在我国广泛分布的大豆为植物寄主，以对其具有重要致病性的病毒大豆花叶病毒（SMV）为病原，通过分析我国不同区域SMV以及大豆抗SMV基因的演化差异，探讨了植物R基因应对差异化的病原选择压力的微进化模式。首先，我们从我国大豆种植的两个重要片区（东北地区和长江中下游及其以南地区）采取了370份来自栽培大豆的花叶病样品，并对从其中分离到的18个SMV病毒样本进行了全基因组测序和系统演化分析，发现这2个区域栽培大豆的SMV在演化上各自形成独立的分支，表明不同区域栽培大豆的SMV确实存在差异；在此基础上，我们进一步对33份来自野生大豆的SMV材料进行了基因组片段的测序，发现不同区域野生大豆上的SMV均与各自区域栽培大豆上的SMV演化关系较近，在演化上也存在明显差异。对应于SMV的区域性分化，我们选取植物R基因中最大的一类即NBS-LRR基因，研究大豆适应不同病原环境的微进化与多基因作用机制。我们分别从被子植物、豆科植物等大的演化尺度上分析NBS-LRR基因，揭示了NBS-LRR基因在被子植物分化之前就已经存在三个亚类（RNL、TNL和CNL）；TNL和CNL基因作为直接参与病原识别的亚类，在被子植物的演化过程中经历了不同程度的基因扩张，尤其是在科一级的演化尺度上，TNL和CNL基因都发生了非常剧烈的扩张，而串联复制是NBS-LRR基因扩张的主要方式。在豆科植物NBS-LRR基因的演化框架下，我们进一步追溯了大豆抗SMV基因的演化历史，发现豆科植物共同祖先中的1个CNL基因在物种分化过程中发生了大量的基因复制，伴随着豆科植物的分化，该基因复制产生的10多个成员以基因簇的形式在大豆13号染色体的Rsv1位点保留下来，并演化出了抗SMV的功能基因。最后，通过对抗SMV基因的精细定位，我们发现对SMV株系SC7-N有抗性的2个大豆品系在Rsv1位点上具有不同的抗SMV功能基因，即Rsv1位点通过微进化模式演化出了抗SMV的不同功能基因。通过鉴定大豆另外一个抗SMV位点Rsv3上的功能基因，揭示了大豆利用多个抗病位点对抗SMV的作用模式。本项目的研究揭示了大豆抗SMV基因的微进化过程和多基因作用机制，为深入探索植物适应不同病原环境的基本机制和规律奠定了基础，并为大豆抗病基因资源的保护、利用和抗病育种提供理论支持。