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我院教师在豆科作物比较基因组学研究中取得重要进展
发布时间:2017-03-24 10:41:44  阅读次数:
2017321日,我院王希胤课题组的论文“Hierarchically aligning 10 legume genomes establishes a family-level genomics platform”在植物科学顶尖杂志《Plant Physiology (IF=6.28; 中科院JCR分区1)发表。文章的第一作者为我院教师王金朋,参与该项工作的共35位科研人员,其中我院多名青年教师和多名本科生、研究生如于继高、刘银喆等都做出了重要贡献。
豆科包含多种重要的粮油作物,具有重要的经济价值,大豆、野生花生等10个豆科植物也因此先后完成了全基因组测序,然而,目前缺少一个较全面的豆科植物比较基因组学研究平台。文章描述的相关研究以葡萄和选择的豆科基因组为外类群,对10个豆科植物反复受多倍化影响的复杂基因组进行进行层级解析,构建了基因组间的与多倍化事件和物种分歧事件相关联的同源基因列表;同时对同源多倍化后重复基因进化研究,发现全基因组加倍之后存在大量的重复基因丢失导致同源基因组存在不同程度的分离;大豆最近加倍产生的重复染色体之间基因保留水平具有高度相似性,这一发现支持大豆可能有一个同源四倍体祖先;另外,研究推断基因丢失是随机发生,极大程度上丢失服从几何分布的规律。文章还描述了对多个重要基因和基因家族的进化研究,发现多倍化有利于家族基因拷贝数的变化。对豆科10个基因组进化速率进行比较,揭示了不同豆科植物的进化速率存在显著差异,研究基于事件相关的同源基因对间的分子距离,对豆科植物分化过程中的关键进化事件及其发生时间进行了重新测定。这一研究为进一步对豆科植物进行深入的探索,奠定了坚实的比较基因组学基础。文章仅对课题组在豆科植物比较基因组学分析的部分结果进行了描述,更多的研究结果存储于课题组构建的豆科作物比较基因组学研究平台(www.legumegrp.org).
研究对于深入认识大豆基因组的功能和相关生物学过程具有十分重要的科学意义和潜在的经济价值。对于阐明豆科植物类群在几亿年间的基因组进化具有重要意义;研究成果将有效支撑豆科作物基因组相关领域的研究工作,为扩展豆科作物的遗传基础提供强有力的基因组学支撑,为豆科作物相关研究的生物学家提供友好的比较基因组学研究平台,对大豆种质创新和品质改良提供指导和帮助。
文章的共同作者包含河北省农科院张孟臣研究员、秦君研究员和美国乔治亚大学Andrew H. Paterson教授。该研究得到了国家重点专项基金项目、国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年项目、河北省自然科学基金青年项目、河北省百人计划、唐山市重点实验室建设项目、华北理工大学国家自然科学基金培育项目等提供的经费支持。
 

图1. 葡萄、豆科植物系统发育关系和基因树

 

图2. 葡萄为参考基因组10个豆科基因组的联合比对图谱

 

图3. 选定基因组的局部染色体同源共线性

 

图4. 苜蓿为参考基因组对应大豆直系同源比对和基因保留水平分布

 

图5. 双子叶植物7条祖先染色体和菜豆染色体在葡萄和豆科植物染色体上的同源呈现 

 

图6. 葡萄和10个豆科作物基因组约1.3亿年里的关键进化事件时间测定 

 

图7. 大豆基因组中抗病相关基因在染色体上分布与进化模式

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