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我院教师在葫芦科作物基因组结构研究中取得重要发现
发布时间:2017-09-30 09:19:45  阅读次数:

2017927日,我院王希胤课题组的文章《An overlooked paleo-tetraploidization in Cucurbitaceae (葫芦科的一次被忽略的多倍化事件)发表在牛津大学出版社的国际重要分子进化杂志《Molecular Biology and Evolution》上。文章的第一作者为我院教师王金朋,通讯作者王希胤教授,参与该项工作的有38位科研人员,其中包括我院多名青年教师、本科生及研究生,如于继高、孙桑蓉和葛冬岑等都做出了重要贡献。

葫芦科有1000多种植物,有相当重要的生物学、经济学和农学意义,是所有植物中第四位的经济作物类群。近年来,科学家们在瓜类基因组的研究上取得了显著进展,相继进行了黄瓜、西瓜和甜瓜基因组的测序。课题组研究人员通过比较基因组学分析,对瓜类作物进行世界上第一个大规模比较基因组学的探索,深入解析了其基因组结构和进化。通过构建物种和基因的系统进化、比较共有的同源基因,研究组取得了葫芦科植物共有的全基因组加倍的一手证据。这是人类首次认识到这些葫芦科植物有一个四倍体的祖先,是一个出乎意料的成果。这一事件大概发生在一亿零七百万年到一亿零一千八百万年前。这是主要双子叶植物共有的一次全基因组加倍造成一个六倍体祖先之后约两千万年发生的。

而这一重大的进化事件,不幸被已发表的基因组测序工作所忽略。这很大程度是因为植物基因组的高度复杂性造成的,也可能是由于测序分析人员缺乏科研经验。为此,课题组提出了一个进行复杂基因组分析的金标准,主要包含基因组同源分析点阵图的构建、进化事件关联的共线性基因分划、重复基因分类和分子进化距离估计以及不同植物进化速率差异性的确定及校正等生物信息学分析流程。这一金标准的提出,或对未来进行的复杂基因组测序和分析将起到重要的指导作用。

王希胤教授强调:这些重复发生的基因组加倍事件是种子植物和开花植物的迅速分化和在地球上成功扩张的原因;这也可能是植物比动物拥有更加复杂的基因组的主要因素;事实上,植物基因组发生更多加倍应是自然选择的结果,因为它们必须生活在一个没有遮掩的严酷的环境中,忍受风吹雨打酷暑严寒;所以,为了适应不断改变的环境,它们的基因组不得不发展相对快速的功能创新能力。多倍化后,植物常常产生成千上万的重复基因、很多染色体重排,甚至整个基因组重新整合,还会产生大量的DNA突变;这为植物的功能创新提供不可胜计的机会。多倍化也解答了进化论的创立者查理斯-达尔文提出的不解之迷——开花植物为什么在短短的数百万年内迅速起源和繁衍。

文章的共同作者有中国农业科学院蔬菜花卉研究所黄三文研究员、张忠华研究员。该研究得到了国家重大研发项目、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。

牛津大学出版社始创于15世纪末,是牛津大学的一个部门。牛津大学的目标直指研究、学术和教育的一流水准,出版社则通过在全世界开展出版活动来推动这一宗旨的实施。五百多年来,牛津大学出版社通过高质量的研究与出版活动,已发展成每年在50多个国家出版4500多种新书的世界最大的大学出版社。《Molecular Biology and Evolution》,是分子进化领域的权威杂志,引用分值为13.93。引用分值是Elsevier公司提供的一个更客观稳定的评价学术杂志的方式,剔除了一些非学术成果类文章的引用计算。2017年《科学》《自然》杂志的引用分值分别为14.3913.33。

 
 

1. 葫芦科物种和基因系统发育树
 

2. 同源基因点阵图提供葫芦科共有加倍证据
 

3. 葫芦科与多倍化和物种分化关联的关键进化时间测定

4. 葡萄为参考的葫芦科局部比对

5. 基因树的系统发育拓扑结构支持葫芦科共有四倍体祖先
 

6. 以葡萄为参考的与多倍化关联的多层级、多基因组同源共线性比对图谱

7. 葫芦科古代子基因组保留、丢失水平统计比较,暗示葫芦科共有异源四倍体祖先
 
 
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