甘蓝型油菜全基因组重复基因演化模式与进化命运研究

Polyploidy are known to be prominent and significant force inducing diversification and speciation in plants. Many duplicated genes evolved and diverged accompanying polyploid formation and continuing over evolutionary time, which contributed to evolutionary succuss of polyploid. Nevertheless, the limited range and throughput of genomic data restricted the scope for the question "How the duplicated genes from the evolutionarily divergent genomes in allopolyploids to be reconciled before a stable species formed". To address these issues, the focus in this instance is allotetraploid Brassica napus. We will start with all duplicated genes originated from three rounds of whole genome duplication (WGD) in Brassica napus, which have been constructed from chromosome collinearity analysis between A.thaliana and Brassica species. So these data allows us further to investigate sequence divergence of duplicated genes, as well as expression divergence of them in five tissues (root, stem, leaf, flower and seed) after strictly quantifying the expression of each duplicated gene using RNA-seq data.At the same time, we investigate the relationship between sequence divergence and expression divergence of duplicated genes.Then, to obtain a general picture of their evolutionary fate at genomewide level, we will examine how duplicated genes from each functional category and pathway evolved and diverged. We believe that these investigation will lead to an improved understanding and knowledge of polyploid evolution.

多倍化是植物物种形成的重要力量和源泉。多倍化产生大量的重复基因及其随后的演化是多倍体物种形成的重要基础。然而，由于基因调查范围和技术手段的限制，目前对于"多倍体(甘蓝型油菜)如何在全基因组水平协调调整不同祖先亲本来源的重复基因的演化"这一科学问题的认识还很局限。本项目将以拟南芥-芸薹属多物种比较基因组线性分析所鉴定的甘蓝型油菜全基因组重复基因为数据基础，同时结合高通量测序技术（RNA-seq）严格区分和量化重复基因在多个组织中的表达和表达量，考察重复基因之间在序列（DNA水平）和组织表达（RNA水平）上的分化情况，同时研究重复基因序列分化和表达分化的因果关系，并进一步上升到比较两个不同亚基因组来源的两套代谢通路、基因家族及性状相关基因等整体的协同分化情况，分清不同的进化命运分别对应着哪些功能类型的重复基因，从全基因组水平阐述和解析多倍体物种形成所对应的重复基因演化机制。

多倍化是植物物种形成的重要力量和源泉。多倍化产生大量的重复基因及其随后的演化是多倍体物种形成的重要基础。本项目针对“多倍体（甘蓝型油菜）如何在全基因组水平协调调整不同祖先亲本来源的重复基因的演化”这一科学问题进行研究，考察重复基因之间在序列（DNA水平）和组织表达（RNA水平）上的分化情况，同时研究重复基因序列分化和表达分化的因果关系。主要结果为：①通过拟南芥-白菜-甘蓝-甘蓝型油菜之间染色体共线性分析，鉴定了甘蓝型油菜中不同全基因组加倍事件对应的重复基因对，其中alpha事件（35百万年前）8875对，三倍化事件（15百万年前）21348对，A-C近缘加倍（1万年前）31526对；②三倍化事件对应的三份亚基因组上的基因表现为互补丢失和不对称丢失。因为加倍时间短，A-C重复基因相互丢失的非常少，仅几百个；③与多倍体杂合/种优势相关的代谢通路和特定功能加倍基因则以高频率（超过60%）保存/保留；④alpha加倍，三倍化和A-C加倍对应的序列替代率Ks分别为0.9，0.35，0.1，其中38%的三倍化重复基因对和27%的A-C重复基因对之间发生了基因结构的变异；⑤调控类、转录因子、信号传导、核糖体蛋白基因等重复基因间表现出相对慢的进化分歧，而免疫和防御反应相关的重复基因间则出现较大的分化；⑥40%的三倍化重复基因和30%的A-C重复基因在根、茎、叶、花、角果和种子的3个不同发育时期出现表达分化。LF表现出表达显性；加倍后高频率保留的基因，在表达上则倾向于增加剂量效应的共表达；⑦通过四倍体和分离A基因组的转录组比较，20%的A-C基因对鉴定为遗传性的表达分化重复基因对；⑧表达分化的重复基因对之间的序列分歧度更大，其中表达量降低的重复基因的进化速率加快；⑨重复基因对之间的表达分化与TE的不对称插入相关，TE通过插入某一个重复基因的上下游通过RdDM机制沉默自身及该重复基因的表达，从而造成重复基因对之间的表达分化。本项目从全基因组水平阐述的重复基因的序列和表达演化模式，为多倍体进化机制提供新的理论认识。