Plant Physiology | 中国农业大学小麦研究中心揭示禾本科细胞器基因向核基因组转移的演化规律

以下文章来源于植物生理PlantPhysiol ，作者PP

线粒体和叶绿体在内的植物细胞器编码了许多呼吸和光合作用等所必需的基因。在进化过程中，质体和线粒体中遗传物质向细胞核的胞内基因转移（intracellular gene transfer, IGT）不断重塑植物基因组并增加了基因组的复杂性。禾本科包含许多重要粮食作物。禾本科核基因组中IGT的发生频率、演化过程及对育种材料间遗传多样性的贡献仍需研究。

近日，中国农业大学小麦研究中心在Plant Physiology杂志发表了题为“Pangenome-based trajectories of intracellular gene transfers in Poaceae unveil high cumulation in Triticeae”的研究论文。该研究绘制了首个禾本科物种核基因组的细胞器来源基因（nuclear organellar gene, NOG）图谱，在泛基因组水平系统解析了禾本科物种进化过程中NOG的动态演化规律，发现小麦族物种在进化过程中逐步积累和保留了更多的NOG，揭示了NOG对塑造植物的种间和种内基因组遗传多样性的贡献。

为了在泛基因组水平解析NOG的演化轨迹，该研究新开发了IGTminer（https://chenym1.github.io/IGTminer/）。进一步绘制了15个禾本科物种的67个基因组的NOG图谱，开发了支持在线分析NOG图谱的数据库pNOGmap（http://wheat.cau.edu.cn/pNOGmap/）（图1A）。研究发现不同禾本科物种间NOG事件的数量存在较大差异。共线性信息及Ks分布表明多数NOG事件在近期发生。NOG多分布于小麦的染色体末端，细胞器基因组的基因具有不平衡的转移频率。小麦族物种相比其他禾本科物种积累了更多的NOG（图1B）。此外，六倍体小麦中NOG是伴随着小麦多倍化和驯化过程不断积累的（图1C）。约一半的NOG在群体水平存在PAV变异（图1D）。特别地，小麦在进化过程中比水稻和玉米保留了更多古老的NOG（图1E）；这些NOG基因富集在光合、翻译和能量代谢等通路。

该研究还提出了一个类比于“14C衰减”的NOG动态演化模型。细胞器DNA序列的突变速率非常低，一旦转移到核基因组后其突变速率增加，并随着演化过程逐步变异或丢失（图1F）。

中国农业大学农学院小麦研究中心的郭伟龙副教授和彭惠茹教授为该论文的通讯作者。博士后陈永明为第一作者。孙其信教授、倪中福教授、姚颖垠教授、辛明明教授、胡兆荣副教授、刘杰副教授和解超杰教授对该工作进行了指导和帮助。博士生郭译文、谢小明、苗凌峰和杨正钊及博士后王梓豪参与了部分工作。中科院植物所的焦远年研究员参与了本工作并提供了关键指导和帮助。感谢华中农业大学的苏汉东教授团队以及中国农业大学博士生秦震、王文熙和已毕业博士余阔海对工作提供的技术支持。该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划和中国农业大学“2115人才培育计划”的资助以及中国农业大学高算平台的技术支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1093/plphys/kiad319

本文转载自植物生理PlantPhysiol

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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