大豆miRNA重复基因与靶基因的共进化分析

Soybean (Glycine max L. Merr.) is the most important crops in China. The crisis of soybean have serious threat to the food security of our country. Identify and utility soybean important functional genes will benefit for soybean industry. miRNA is one of most important element of gene regulation. Soybean genome has putatively processed two rounds of whole genome duplications (WGD) and many tandem duplications within the last 60 million years. It has been suggested that duplicated coding gene pairs are highly diversified after numerous chromosome rearrangements. However, the evolution of miRNA, such as whether duplicated pairs also existed and if their functions had been diversified as coding genes, and the co-evolution of them with their target genes are poorly understood. On the base of our previous study, we are trying to do a comprehensive analysis on the duplicated miRNAs genes through transcriptomics and degradomics approaches to find out the factors that influencing duplicated miRNA gene evolution and their co-evolution with target genes. The findings will shed light on the role of miRNA in the evolution of polyploide soybean genome. In addition, it may also benefit the soybean functional genome analysis.

大豆是重要的粮食作物，目前的大豆危机已严重威胁了我国粮食安全。大豆重要功能基因的挖掘利用对于大豆生产具有重要意义，miRNA亦是一类重要的基因调控元件。大豆基因组在最近的60万年间发生了两次大的重复事件，多倍化后重复编码基因对和重复miRNA基因对在功能上都发生了不同程度的分化，然而关于miRNA重复基因对的功能分化是否会改变其对靶基因的调控、miRNA重复基因对的功能分化与其对应靶基因的功能分化之间是否存在共进化关系等还未见报道。本课题在前期研究的基础上，拟通过转录组、降解组等手段，找出miRNA重复基因对所对应靶基因以及它们之间的异同，利用生物信息学和分子生物学方法系统解析影响大豆重复miRNA基因对表达分化的因素和重复miRNA基因对功能分化后对靶基因的影响，从而揭示大豆中重复miRNA基因和靶基因的共进化规律，为深入理解miRNA在大豆基因组进化中的作用提供实验证据和理论基础。

本项目通过转录组、降解组并结合大豆变异组数据，找出miRNA重复基因对所对应靶基因以及它们之间的异同，利用生物信息学方法系统解析影响大豆重复miRNA基因对表达分化的因素和重复miRNA基因对功能分化后对靶基因的影响。研究发现MIRNA基因比miRNA 靶基因的进化速率更快。但是，驯化过程中，miRNA和靶基因展现出几个相似的进化模式：更高表达的、重复的、有更多互作成员的MIRNA基因或者靶基因与没有这些特征的MIRNA基因或者靶基因相比，核苷酸多样性更低，暗示表达水平、重复基因状态、miRNA-靶基因互作对MIRNA基因和靶基因的进化非常重要。进一步研究发现，经受强烈的负选择的miRNA-靶基因对的相似性高于有遗传多样性的miRNA-靶基因对。受到驯化作用和改良作用的调节，大量miRNA-靶基因对在栽培大豆中的相似性高于野生种的相似性。然而，也有少量的miRNA-靶基因对，从野生种到栽培种相似性降低。miRNA-靶基因对相似性的变化可能和特定驯化性状有关。本项目的研究成果初步揭示了大豆中重复miRNA基因和靶基因的共进化规律，为深入理解miRNA在大豆基因组进化中的作用提供了数据支撑和理论基础。