基于系统发育基因组学方法分析被子植物多倍化和重复基因的保留机制

Whole genome duplications were widely occurred during the evolution of animals, plants and fungi. The large amount of preserved duplicate genes resulted from polyploidization was considered to promote reproductive isolation and speciation among sub-populations, and furthermore, to provide evolutionary forces for evolving novel gene functions. Therefore, it is essential to analysis both recent and ancient whole genome duplication events, to investigate the mechanisms of maintenance or loss of duplicate genes among different time scales. In this project, as a complementary to public plant genomes, which are correlated more or less to economic plants and crops, we will obtain transcripts from many selected angiosperms based on high-throughput RNA-seq in taxonomic manner. Furthermore, novel whole genome duplication events will be detected by applying synonymous mutation rate based and phylogenomic based approaches on genomes of organisms sequenced in this study and those available in public databases. We will further investigate fate of duplicate genes, including potential neofunctionaliation, subfunctionalization and gene loss. Such studies will provide supports for improving grain fertilities and productions.

全基因组重复在动物、植物和真菌的进化过程中广泛存在，基因组多倍化导致的大量重复基因不仅促进物种的生殖隔离与物种分化，同时也为新的基因功能的产生提供了进化动力。因此，从不同的时间尺度研究古老和近期的全基因组重复，以及重复基因的保留与丢失的规律和机制，对于从多倍化的角度理解物种进化具有非常重要的意义。在本项目中，我们从被子植物的系统发生关系出发，选择一批物种并通过转录组高通量测序预测基因集合，作为已公开发表基因组物种的补充。进一步使用重复基因突变速率和系统发育基因组学的相关方法预测被子植物各类群在进化过程中可能发生的未知多倍化事件。本项目还将从自然选择压力的模式入手分析多倍化后重复基因的命运，包括新功能化、亚功能化和基因丢失，为农业生产上提高作物育性、增加作物产量提供理论指导。

染色体多倍化是真核生物的重要进化驱动力之一。大量研究表明脊椎动物、单子叶和双子叶植物乃至被子植物祖先都经历过全基因组重复，多倍化产生的大量重复基因是新基因和新功能的进化源泉，促进了后代类群的生物多样性和环境适应性。在本项目中我们通过系统发育基因组学分析方法详细比较了105种被子植物的基因组进化模式，不仅对前人报道的基因组多倍化事件提供了验证和支持，还在更多的目、科和属内发现了新的多倍化证据。研究发现不同类群祖先经历的古老和近期多倍化事件产生了大量的重复基因，与后代类群的生物多样性和快速物种形成具有高度相关性。多倍化产生的重复基因在基因组中服从统一的指数衰减规律，估算得到的半衰期约为21百万年。这些研究结果为明确重复基因的生存周期提供了线索，为揭示多倍化对增加后代类群基因组的复杂性界定了时间尺度。还针对菊科植物多倍化进行了深入研究，一方面通过筛选的低拷贝核基因构建了稳定的菊科系统发育关系，解决了菊科若干亚科之间的亲缘关系争议，另一方面通过比较大量基因树与物种树的拓扑关系，发现菊科植物在演化早期阶段经历了多次染色体多倍化事件，在相对较短的时间内形成了多个亚科的物种分化，并与全球范围内的地质气候变化显著相关。这些结果为揭示染色体多倍化导致重复基因功能分化和时空表达差异、促进物种辐射和生物多样性提供了新的分子证据。重复基因的存在还增加了植物基因组的复杂性，为研究遗传变异、定量性状和基因功能带来了挑战。通过深入分析近期多倍化产生的重复基因特征，包括重复基因导致的非等位序列相似性等因素，我们开发了准确识别序列多态性和结构变异的生物信息学新方法，可以有效用于遗传变异和分子标记有关的遗传分析中，为深入研究重复基因的功能冗余和功能分化特征提供了良好的基础。