獼猴桃基因組中兩次古老同源四倍體事件

華北理工大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教師王金朋于9月20日在國(guó)際頂級(jí)期刊《細(xì)胞：CELL》最新創(chuàng)建的綜合性學(xué)術(shù)期刊《iScience》上，發(fā)表題為“Two likely auto-tetraploidization events shaped kiwifruit genome and contributed to establishment of the Actinidiaceae family”的研究論文。王莉博士、碩士研究生于繼高、李晶、孫朋川為共同第一作者，參與該項(xiàng)研究的還有段雪倩等5名本科生，通訊作者王希胤教授。該研究通過(guò)比較基因組學(xué)分析，揭示了獼猴桃基因組中兩次古老同源四倍體事件，為獼猴桃科及相關(guān)植物類群提供了一個(gè)重要的比較基因組學(xué)資源。

▲夏天的獼猴桃果園

多倍化在多個(gè)基因組測(cè)序工作中都有提出，幾乎發(fā)生在所有被子植物基因組進(jìn)化過(guò)程中，但是對(duì)于多倍化的性質(zhì)一直以來(lái)比較模糊。異源多倍體的形成是由于不同物種雜交產(chǎn)生的雜種后代出現(xiàn)染色體加倍形成的多倍體，目前發(fā)現(xiàn)的多倍體植物多為異源多倍體。同源多倍體的形成可能是由于細(xì)胞分裂中期停止，使細(xì)胞內(nèi)配子未減少導(dǎo)致同源多倍化的發(fā)生，這使植物中的染色體數(shù)目加倍。但是從基因組層面如何區(qū)分同源多倍體和異源多倍體一直以來(lái)都是一個(gè)重要的問(wèn)題。

▲中華獼猴桃與闊葉獼猴桃無(wú)缺口基因組圖譜

獼猴桃（Actinidia chinensis）因富含維生素C被稱為水果之王，先前研究中其基因組受多倍化事件的影響，然而，對(duì)于多倍化的性質(zhì)是難以捉摸的。該研究中對(duì)獼猴桃基因組進(jìn)行了重新分析，發(fā)現(xiàn)了兩次獨(dú)立的古老四倍體事件的清晰證據(jù)，其中一次發(fā)生在50～57百萬(wàn)年前（Mya），另一次發(fā)生在18～20 Mya。這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)同一次多倍化事件產(chǎn)生的兩個(gè)亞基因組的基因丟失水平具有一致性；同時(shí)從基因表達(dá)水平分析，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)亞基因組的基因表達(dá)水平也具有一致性。此外，還觀察到獼猴桃基因的進(jìn)化速率緩慢。這些發(fā)現(xiàn)都指向一個(gè)真相，獼猴桃基因組中的兩次古老多倍化可能是同源加倍。這意味著獼猴桃復(fù)制了自己的基因。與之相對(duì)的是異源多倍體事件，它的發(fā)生通常是雜交的結(jié)果。例如，香蕉、土豆和甘蔗等植物是同源多倍體，而小麥、棉花和草莓則是異源多倍體。而對(duì)于獼猴桃來(lái)說(shuō)，情況則更加特殊，同源多倍體事件發(fā)生了兩次， 這在已經(jīng)測(cè)得基因組全序列的植物中是唯一的。

▲DH和KY的基因組組裝和注釋

研究中還發(fā)現(xiàn)獼猴桃基因組中的多倍體事件對(duì)于重要家族基因的擴(kuò)張具有一定的影響，如獼猴桃中的維生素C相關(guān)基因。研究明確了獼猴桃每一次加倍事件后產(chǎn)生的基因拷貝數(shù)變化，發(fā)現(xiàn)獼猴桃體內(nèi)合成維生素C的基因拷貝數(shù)在這兩次加倍事件中大幅增加。因此，推論獼猴桃的兩次同源四倍體事件，有助于其維生素C的超量合成。
該項(xiàng)研究受到了國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注，細(xì)胞出版社(Cell Press)，每日科學(xué)(Science Daily)、中國(guó)科學(xué)網(wǎng)、BioArt、中國(guó)農(nóng)科新聞網(wǎng)、光明網(wǎng)、搜狐網(wǎng)等多家媒體和網(wǎng)站進(jìn)行了采訪報(bào)道。研究得到了國(guó)家重大專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金、河北省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目支持。
未參與這項(xiàng)研究的中科院植物研究所研究員焦遠(yuǎn)年表示，多倍化事件造成植物基因組發(fā)生反復(fù)加倍和內(nèi)部整合，其過(guò)程非常復(fù)雜。因此，確定植物在古老時(shí)期發(fā)生的多倍化事件相當(dāng)困難。“此次研究從重建獼猴桃的祖先基因組入手，證明了獼猴桃進(jìn)化史中發(fā)生的兩次多倍化是同源四倍體事件，而不是異源的，明確了獼猴桃的進(jìn)化過(guò)程，這是最大亮點(diǎn)?！彼f(shuō)。

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