多倍體植物遺傳變異的分子進化機理研究

《多倍體植物遺傳變異的分子進化機理研究》是陳增建為項目負責人，南京農業大學為依託單位的重大研究計畫。

基本介紹

• 中文名：多倍體植物遺傳變異的分子進化機理研究
• 項目類別：重大研究計畫
• 項目負責人：陳增建
• 依託單位：南京農業大學

項目摘要

動物中多倍體雖不常見，但癌細胞常是多倍體和非整倍體。多倍體是植物基因組進化和農作物馴化的一個重要途徑；小麥、棉花、油菜都是異源多倍體，由種間雜交經染色體組加倍後形成的。多倍體農作物的馴化和利用是中國和世界糧食安全的重要基礎。更多的植物包括有些動物是古多倍體，多倍化後保存了大量的同源基因。在穩定的異源多倍體中，種間雜種優勢被永久的固定，並為自然和人工選擇提供了新基因和互作的遺傳資源。然而，有關多倍體分子進化和遺傳機制仍然很不清楚。本課題將利用新形成和自然的擬南芥多倍體為研究材料，對多倍體基因組和表觀基因組開展研究；揭示出表觀基因圖譜包括DNA甲基化，小RNA和組蛋白修飾對部分同源基因的表達、調控網路和形態性狀的影響；比較和解釋DNA分子進化、基因計量、突變率和表觀基因組之間的相互關係；找到調控進化和功能變化的分子機理；為更好地利用多倍體動植物提供新的思路。

結題摘要

多倍體是真核生物基因組進化的主要推動力；許多動物和所有的開花植物都是多倍體或經歷過多倍化過程。擬南芥多倍體是國內外研究多倍體進化和性狀變異的模式植物。雖然前期我們對擬南芥多倍體A.suecica的研究取得了一些突破性的進展，但是其A亞基因組的供體A.arenosa一直沒有測序，給多倍體研究造成了很大的障礙。我們採取分子進化、基因組學、表觀遺傳和系統生物學的方法，利用全基因組二代，PacBio三代，Hi-C染色質三維基因組和RNAseq測序等先進技術，完成了自然和新合成A.suecica的基因組，並從中提取了A.arenosa基因組和20-30萬前的A.thaliana基因組。在異源四倍體中，不論是SNP，InDel還是SV(結構變異)，A亞基因組相比T亞基因組與推測親本間的差異更大。LTR插入時間分析表明，A相比T基因組插入事件更活躍；異源四倍體進化過程中T亞基因組相比推測親本的變異更大。親本中甲基化水平A.thaliana低於A.arenosa；在異源四倍體中，A.arenosa中的高甲基化區域，大部分下降到T亞基因組水平，且與基因表達模式緊密相關，表現出亞基因組之間的趨同進化現象；A亞基因組中產生的差異低甲基化區域，在F1，733和738（F10）和自然A.suecica都存在，表現出傳代現象。在擬南芥F1雜種中，外源乙烯可以消除擬南芥F1雜種中的生物量優勢，並發現了晝節律和光信號調控乙烯合成，進一步調控生物量的雜種優勢。同時，我們利用棉花多倍體為材料，對進化和馴化的分子機制和多倍體合成後受到“轉錄衝擊”進行研究，找到了500多個表觀包括影響光周期進化和馴化的基因，為表觀遺傳學和育種提供了重要線索；發現了異源四倍體棉花亞基因組之間基因表達的差異，是由H3K4me3調控；並參與了野生四倍體花生基因組的測序和分析工作;開展了同源四倍體水稻耐鹽性的機理研究。本項目的研究結果將引導其他相關領域的研究，比如多倍體農作物的進化、馴化；性狀改良以及雜種優勢利用。本項目共發表SCI論文6篇。項目實施過程中，開展了廣泛的國內外合作，並在多個會議上本課題取得的研究成果獲得多個媒體平台的報導。