十字花科祖先染色体多倍化后基因组动态变化的分子机制研究

Whole genome duplication (WGD) or polyploidization doubles the chromosomes initially and results in hundreds to thousands of retained gene duplicates, which provide evolutionary potentials for generating novel functions. Brassicaceae is the most successful group of angiosperms, containing more than 3,000 species, with many important agricultural and economical crops that have undergone both ancient WGDs and recent ones, thus providing excellent materials for investigating the mechanisms of species diversification promoted by polyploidization. We will perform comparative genomic and phylogenomic anlyases on multiple Brassicaceae genomes to detect genomic content dynamics, which leads to the increasing complexities of genomic contents. In details, the project will a) investigate the retention or loss of gene duplicates as well as their functional divergence in Brassicaceae; b) reveal the patterns of co-evolution for gene duplicates relating to salt response by transcriptomic sequencing and analyses; c) compare the status of DNA methylation among multiple species to discover DNA methylation changes fixed immediately after polyploidization and the novel changes during the evolution of Brassicaceae. Such studies will provide molecular clues for understanding productive isolation and species diversification driven by polyploidization in the angels of genomic evolution, transcriptional regulatory network and epigenetic modifications.

全基因组重复也称为基因组多倍化，通过加倍染色体的数量产生大量的重复基因，为新基因功能的产生提供了进化上的潜力。 十字花科是进化上比较成功的被子植物类群，它既包含模式植物拟南芥和多种重要作物，也包含3000多种具有广泛地理分布的植物。十字花科祖先曾经发生过多次多倍化事件，因此为研究多倍化促进增加生物多样性的分子机制提供了良好材料。 我们将使用多种组学分析和系统发育基因组学方法研究十字花科多倍化导致的基因组复杂性和动态变化，包括：十字花科各类群进化过程中重复基因保留、丢失和功能分化；使用转录组方法研究重复基因的协同进化模式，揭示耐盐机制在各物种间的共性与特性；比较十字花科物种的DNA甲基化状态，探索多倍化导致的DNA甲基化短期固化特征和长期动态规律。本项目将从基因组进化、转录调控网络和表观修饰变化角度入手研究多倍化重复基因的新功能化、亚功能化，为揭示多倍化驱动生殖隔离和物种分化提供分子证据。

十字花科植物祖先经历的染色体多倍化在后代基因组中保留了大量重复基因，这些基因在进化过程中通过累积遗传变异产生新功能化和亚功能化，是产生生物多样性和环境适应性的重要驱动力之一。在本项目中我们通过系统发育基因组学分析方法详细分析了十字花科祖先多倍化对拟南芥基因组复杂性的影响，发现重复基因数量的衰减规律与其它被子植物类群具有高度一致性，半衰期大致为21百万年。研究还发现包括受体蛋白激酶在内的大量重复基因发生了功能分化，它们在花药发育过程中细胞分裂分化和细胞间信号交流中发挥重要作用。还通过比较拟南芥与耐盐植物盐芥在盐胁迫处理条件下生长状态的变化和转录调控的改变，发现十字花科祖先多倍化形成的重复基因对于盐芥耐受胁迫环境提供了基因表达的剂量效应。同时还在研究中发展出一批系统发育基因组学新方法，包括基于马尔可夫聚类的PhyloMCL方法，它采用物种亲缘关系作为框架进行不同物种间同源基因的准确预测，在不同类群尺度分析上的有效性都远超同类方法。还开发了基于重复基因有关的非等位序列相似性特征的inGAP-family方法，有效用于关键突变位点定位、减数分裂与其它分子标记有关的遗传研究中，为深入研究重复基因功能分化提供了有力的工具。本项目通过整合系统发育基因组学分析方法，揭示了全基因组加倍产生的重复基因的功能分化和时空表达差异，为研究十字花科物种辐射和耐受逆境胁迫提供了新的分子证据。