异源四倍体小麦中部分同源等位基因表达分歧的研究

Wheat is one of the most important food crops worldwide, as well as a classic mode plant for the study of allopolyploidy-mediated speciation and evolution. Polyploidy, the immediate result of which is whole genome doubling (WGD), is associated with the evolutionary history of all flowering plants. Recent years have witnessed an array of studies focusing on changes in genome structure and gene expression as a result of WGD. In addition, the fate of duplicated genes subsequent to WDG is also a topic that has drawn much attention. This project is proposed to systemically investigate the expression divergence of homeologous alleles following allotetraploid in wheat. The experiments are designed based on our available data on genome-wide gene expression dynamics in nascent allotetra- and allo-hexaploid wheats. Novel technologies including q-RT-PCR and Pyro-sequencing will be employed that enable precise differentiation of homologues from homoeologues based on the presence of one or more SNPs. The study will integrate ontogenic development and diverse environmental conditions, and plants of synthetic, wild and domesticated tetraploid wheat lines will be used. Results of this study is expected to advance our understanding of the roles of allopolyploidy in evolution and domestication of tetraploid wheat.

小麦是世界范围内最重要的粮食作物之一，也是多倍体研究的模式物种。多倍化是植物新物种形成和进化的原驱动力(driving force)之一，其直接后果是导致全基因组加倍。近几年来，已有大量研究集中于多倍化后物种的基因组结构、基因表达变化及部分同源等位基因的进化命运。本研究拟在我们前期已完成的人工合成异源四倍体和六倍体小麦全基因组基因表达信息基础上，结合q-RT-PCR和焦磷酸测序等可以根据SNP位点准确区分部分同源等位基因特异表达(homeologous allele-specific expression)等研究手段，以人工合成、栽培和野生异源四倍体小麦作为研究材料，系统研究在不同发育时期、不同逆境条件下部分同源等位基因的表达分歧情况及其可能的调控机制。研究结果将有助于进一步理解异源多倍化在物种形成、适应性进化和人工驯化过程中的作用。

小麦是世界上最重要的粮食作物之一，同时也是由人工驯化和基因组加倍形成新物种的代表性植物，其二倍体，四倍体，六倍体物种在自然状态下均存在。在本项目中，通过采用人工合成（四倍体/六倍体），栽培（四倍体/六倍体）和野生（二倍体/四倍体）各类小麦物种多个发育时期的器官作为研究材料，综合利用qRT-PCR，基因芯片和转录组测序技术，研究了不同发育时期，不同进化条件下所有AA/BB基因组基因的表达变异和调控机制。研究结果显示在小麦物种进化过程中，两次多倍化事件均对AA/BB基因组基因的表达产生影响，高倍性基因组物种中基因表达变异速度高于低倍性物种。异源四倍体小麦形成后AA/BB基因表达变异存在显著的亚基因组分布差异，BB基因组在进化过程中呈显性。两次多倍化及驯化导致的AA/BB基因组中差异表达基因均在与植物抗性相关的功能类别和基因家族显著富集，说明小麦多倍化后的基因表达变异可能与其适应性提升和新物种形成有关。不同机制产生的重复基因在小麦进化过程中具有不同的命运，多倍化形成的AA/BB基因组间共线基因的差异表达基因比例显著低于串联重复基因。大部分差异表达基因仅发生在AA/BB基因组部分同源等位基因的一个拷贝，说明多倍化后的基因表达变异以顺势调控（cis-regulation）变异为主，而在部分同源等位基因两个拷贝同时发生表达变异则主要源于反式调控（trans-regulation）变异。以上结果说明在小麦物种进化过程中，两次多倍化事件对AA/BB基因组范围内基因表达产生影响，其变异可能与小麦新物种形成过程中抗性提升有关，同源等位基因的表达变异存在亚基因组显性且可能受到多种调控机制的影响。