禾本科C4植物起源与进化过程中的比较叶绿体基因组变异与基因协同进化研究

C4 photosynthesis is a complex adaptation over the classical C3 pathway. Grasses rank among the world’s most ecologically and economically important plants, which including the most numbers of C4 grasses, and C4 photosynthesis has 22–24 inferred origins in Poaceae. Repeated evolution of the C4 syndrome has made photosynthesis highly efficient in many grasses, inspiring intensive efforts to engineer the pathway into C3 crops. However, comparative biology has been of limited use to this endeavor because of uncertainty in the genetic variations of C4 origins. In this study, we address the question of the molecular bases of the C4 convergent phenotypes in Poaceae by reconstructing the evolutionary history of C3/C4 grass chloroplast genomes. We intend to compare chloroplast genome variations between C3/C4 grasses combined phylogenomic analyses of Poaceae and further focus on the genetic convergence during C4 plant origin by sequencing the chloroplast genome of about 50 represent grass species. Our study will provide new sights into genome variations and genetic convergence during C4 plant origin.

被子植物C4光合途经是在传统C3光合途径上的复杂适应性进化。它在被子植物多达18个科中独立起源了许多次。其中的禾本科是种子植物中最大以及分布最为广泛的几个科之一，它包含有被子植物中数量最多的C4植物，且系统进化研究表明C4光合形态在该科不同亚科中独立起源了22-24次。C4植物在禾本科中的重复进化不断地启发人们对C3植物光合途径过程的遗传改良。然而，比较生物学研究对C4植物起源过程中的遗传改变的认识的不足限制了这一应用。在本研究中，我们将通过重构禾本科C3/C4植物全叶绿体基因组的进化史来解决C4植物基因变异与协同进化的分子基础。我们拟对禾本科50个代表属物种进行叶绿体基因组测序，在重新构建禾本科系统发育基因组学进化树的基础上，对禾本科C3/C4植物全叶绿体基因组变异进行全面分析，解析C4禾草起源过程中的基因协同进化与适应性改变。我们的研究将为C4植物起源过程中的基因组变异提供全新见解。

禾本科包含有被子植物中数量最多的C4植物，且系统进化研究表明C4光合形态在该科不同亚科中独立起源了22-24次。叶绿体是植物进行光合作用的细胞器，我们在本项目中选取禾本科植物叶绿体基因组进行了测序分析，探究其C4禾草在不同支系重复起源过程中发生的基因组变异。我们通过对代表性禾本科植物叶绿体基因组进行测序、组装分析，并重构了禾本科C3/C4植物全叶绿体基因组的进化史，恢复了其中主要的14个独立起源事件。通过整个叶绿体基因组以及单个基因的比较变异分析，与C3禾草相比较而言，我们发现不同支系上的序列变异在不同支系的C4禾草中有不同的体现，在整个基因组水平未体现出相似的变异特征；但有少数蛋白编码基因的碱基位点发生了趋同进化的特征。在所有C3和C4禾草中，其基因组表现出GC含量驱动的序列变异模式。该变异模式表明，尽管植物叶绿体基因组与光合作用有关，但其整体的变异模式并非仅仅受到植物光合作用自然选择压力的影响，可能仅仅是某些基因的碱基位点变异与之有一定的关联。我们的研究将为禾本科C4植物起源过程中的基因组变异提供全新见解。