大豆作物基因组的生物信息研究平台构建和比较基因组学分析

Soybean is an important food, grease and a forage plant due to its being a rich source of oil and protein. So far, the development of genome sequencing and re-sequencing has provided a new opportunity for improvement of soybean quality in molecular level and the recognition of its biological mechanism. However, the complex features of soybean genome due to recursive occurrence of polyploidizations, which is a great challenge to present bioinformatics tools, hinder efforts to understand its evolutionary history and functional innovation. Here, we proposed a valuable project aiming at creating new methods and softwares of deconvolute of the complex genome, and constructing bioinformatics platform to perform insightful soybean genomics research, reconstructing the process of polyploidizations, and generating homologous gene datasets for soybean and other legume crops, and making an integrative research into duplicated gene evolution and conversion. Meanwhile, based on phylogeny and evolutionary theoretical analysis, we will explore genes and gene families that relate to important agronomic traits, such as soybean nitrogen fixation, oil synthesis, and disease resistance, and explore into potential evolutionary rules regulating gene expression, translation, and evolution. Results from this project will effectively support efforts performed in soybean research community, and will have profound theoretical and practical significance, from whole-genome scale to single-gene evolution, which may potentially contribute to soybean improvement through molecular breeding, at least partially by offering a comparative genomics and bioinformatics platform to understand soybean genetics and biology.

大豆是重要的食品、油脂和饲料作物，富含油脂和蛋白质。近年来，基因组测序和重测序工作的开展，对于在分子水平上改良大豆品质，并对认识其生物学机制，特别是拓宽遗传基础提供了新的契机。然而，大豆自身复杂的基因组特征，尤其是现有的软件和方法不能支持对这一复杂基因组的解构，使得对其结构和多倍化发生规模的深层次研究较为困难。该申请项目旨在建立新的解析复杂基因组的方法和软件，构建大豆作物基因组的生物信息研究平台，并用以解析大豆基因组的结构，重建多倍化过程，比较分析大豆重复基因间基因置换的发生模式和造成的结果；同时基于系统发育和进化理论的分析，探索与大豆固氮、油合成等多个重要农艺性状相关基因、基因家族和调控路径功能的进化规律。项目研究成果将有效支撑大豆相关领域的研究工作，对于认识大豆基因组从全局尺度到单基因的进化具有极为重要的理论和现实意义，同时提供其他生物基因组分析的方法和工具。

大豆是重要的食品、油脂和饲料作物，富含油脂和蛋白质。近年来，主要由于豆科作物经济价值的重要性，10个豆科，包括大豆、野生花生、苜蓿等基因组完成了测序。然而，大豆自身复杂的基因组特征，尤其是现有的软件和方法不能支持对这一复杂基因组的解构，使得对其结构和多倍化发生规模的深层次研究较为困难。项目建立了新的解析复杂基因组的方法和软件，构建了大豆作物基因组的生物信息研究平台；并以葡萄和选择的豆科基因组为外类群，对大豆等10个豆科基因组进行了一个细致的层级分析，得到了多豆科基因组与多倍化和物种分化关联的共线性比对列表。之后，我们阐明了基因组多倍化后由于基因丢失导致的基因组碎片化的规律。一个显著的发现，大豆最近加倍产生的两套子基因组的基因保留水平高度相似，暗示大豆可能有一个同源四倍体祖先。另外，虽然大部分的基因丢失几乎是自由发生的，但是可以用一个近似几何分布的模式对其过程进行描述；研究中，基于系统发育和进化理论的分析，探索了多个重要基因、基因家族和调控路径功能进化规律；尤其对于重要基因家族基因拷贝数进行了深入分析，发现古多倍化有利于拷贝数变化。除此之外，通过对同源共线基因的Ks进行比较，发现不同的豆科基因组的进化速率存在显著差异；并对Ks较正，重新测定了豆科演化过程中关键进化事件。研究结果对于豆科基因组相关的研究提供了一个坚实的基础。将有效支撑大豆等基因组相关领域的研究工作，并为解析其它复杂基因组提供方法和工具。另外，我们把相关分析方法和工具用于其他基因组重新分析，如葫芦科作物和榴莲基因组的分析，取得了重要发现，葫芦科共有祖先在双子叶共有六倍体事件之后，非常短的时间里发生了一次古四倍体事件，并且这一事件被先前报道所忽略；棉花有一个十倍体祖先，榴莲独立于棉花具有一个六倍体祖先的事实，纠正了先前研究中对于棉花、榴莲基因组进化的认识。