Hortic Res | 华北理工大学王金朋团队在菊科植物多倍化及祖先基因组重建和进化方面取得新进展

菊科植物（Asteraceae）是被子植物的第一大科，包含丰富的园艺、观赏和药用植物，这一植物类群在地球上成功演化与频繁的多倍化事件密切相关。除核心真双子叶植物共享的古六倍体化事件（gamma）外，菊科植物普遍存在一次相对年轻的古六倍体化事件，可能为菊科物种多样性形成提供了决定性遗传基础。然而，关于这一古六倍体化事件的基因组复制过程，以及现存菊科植物如何因祖先基因组重整而产生了基因组和表型多样性，目前仍知之甚少。

2023年4月，Horticulture Research上线了（Advance Access）华北理工大学王金朋研究团队题为Two-step model of paleohexaploidy, ancestral genome reshuffling and plasticity of heat shock response in Asteraceae的研究论文，深入研究了菊科植物多倍化及祖先基因组进化历史，并获得了一系列重要发现。

该研究通过比较菊科植物中十个属的11个代表物种基因组，揭示了菊科植物的六倍体化事件（ACH）发生在约7000-7800万年前，可能被所有现存菊科植物共享；并且菊亚科中的向日葵属、甜菊属和假泽兰属在约4000-4600万年前共同经历了一次四倍体化事件（AST）（图1）。通过鉴定不同多倍化和物种分化事件产生的同源染色体区域，构建了跨菊科代表性物种（莴苣、向日葵等）的基因同源图谱。以构建的图谱为基础，比较发现多倍化产生的子基因组保留祖先基因的数量存在显著差异，并且在不同物种基因组中保留式样也极具有多样性；子基因组的这一进化式样，指向菊科植物的两次基因组加倍可能是异源多倍化事件。具有开创意义地，结合古染色体重排及子基因组分化（genomic fractionation）的双重证据，研究人员提出了ACH事件的两步基因组复制新模型。

研究对菊科植物祖先染色体核型进行了构建，推断ACH事件前的祖先有9条基本染色体，现存菊科植物最近共同祖先有15条基本染色体；以构建的祖先为参照，揭示了现存菊科植物经历了极为灵活的染色体重排，使得现存物种核型的染色体数目具有极大差异（图2）。研究以热休克转录因子（Hsfs）相关的基因为代表，对菊科植物祖先基因组进化事件影响下功能基因的可塑性进行了分析，发现全基因组复制、串联重复、及染色体重排的共同作用为菊科植物热激反应的多样化提供了重要遗传基础。

综上，该研究为理解菊科植物多倍化和祖先基因组进化方面提供了新的理论参考，对认识菊科植物及表型多样化的遗传基础有重要科学意义。此外，将古染色体重排事件与基因组分化式样结合，相较于核苷酸变异为基础的方法，能为研究古老的、快速进化事件提供更有效的策略。

图 1 菊科植物多倍化历史的推断

图 2 菊科植物祖先染色体核型及进化式样

华北理工大学生命科学学院王金朋副教授为该论文通讯作者，硕士生孔祥名为该论文第一作者。张岩、王子莹、鲍守同为论文共同第一作者，徐传远副教授、青年教师雷天宇为论文共同通讯作者。此外，团队的多位老师和学生也参与了该项研究工作。本研究得到了国家自然科学基金项目（32170236、31501333）、河北省自然科学基金项目（C2020209064）和省属高校基本科研业务费项目（JQN2020018）的支持。

文章链接：

‍https://doi.org/10.1093/hr/uhad073

转自：“园艺研究”微信公众号

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