Mol Plant：復旦大學揭示全基因組重複對被子植物基因組複雜性和物種多樣性的影響

全基因組重複也稱為染色體多倍化，它通過整個染色體環境的加倍產生大量的重複基因，並在進化過程中伴隨著重複基因之間的功能分化，為大規模遺傳變異的產生提供了進化動力，同時也是基因新功能出現的主要源泉。全基因組重複為物種適應不同環境和生物多樣性提供了分子基礎，通過促進新性狀的產生和物種分化提高了生物在災變事件過程中的生存率。因此，研究全基因組重複是理解生物起源和進化的關鍵途徑。大量證據表明，全基因組重複事件廣泛存在於真核生物的進化過程中，特別是被子植物祖先以及內部多數類群在進化過程中都發生過古老或近期的多倍化。由於目前對被子植物全基因組重複的研究主要集中在十字花科、豆科、菊科、蘭科和禾本科等物種多樣性較高和包含重要作物的類群，因此還不清楚在被子植物不同類群和不同進化階段是否存在更多的多倍化事件，同時多倍化後重複基因的新功能化、亞功能化和基因丟失等具體進化過程也尚不清楚。

2018年1月8日，復旦大學戚繼團隊和馬紅團隊通過多年合作研究，在國際知名學術期刊Molecular Plant上在線發表了題目為「Wide-spread whole genome duplications contribute to genome complexity and species diversity in angiosperms」的研究論文。該研究比較分析了109個被子植物的基因組和轉錄組數據，揭示了全基因組重複事件在被子植物進化過程中普遍存在，發現了不同家族重複基因的保留在經歷多倍化的次數和基因功能等層面都存在偏好性，解釋了全基因組重複事件對於被子植物物種多樣性的豐富和環境適應性的產生都具有重要促進作用。本研究不但豐富了人們對多倍化這一複雜過程的認知，揭示了其在被子植物進化過程中的普遍性，也為研究重複基因的功能分化以及生物多樣性產生的機制提供了理論基礎。

研究中選取的109個物種，覆蓋了單子葉、雙子葉、木蘭類、金魚藻類和金粟蘭類和基部被子植物等主要類群，是迄今為止被子植物多倍化研究中最為全面的取樣。考慮到基因丟失事件會對全基因組重複事件的檢測造成影響，研究中首先構建了重複基因丟失的衰減模型，計算得出基因在被子植物進化過程中丟失的半衰期大約為21.6百萬年。研究通過系統發育樹和進化速率分析等方法，共檢測到了55次全基因組重複事件，其中不但包括了絕大多數之前已經報道過的結果，證明檢測方法的準確性和可靠性，還發現18個新的全基因組重複事件，包括川續斷目（Dipsacales）祖先和紫草目（Boraginales）祖先等的古老多倍化，以及香椿（Toona sinensis）和薑黃（Curcuma longa）等的近期多倍化。研究表明被子植物進化過程中古老的重複基因在新的全基因組重複事件發生後更容易丟失，傾向於保留的重複基因主要與細胞壁代謝、轉運和次生代謝等與環境適應過程有關。通過在被子植物各分支層面上進行姐妹類群的比較，發現多數類群的物種形成速率在多倍化發生後明顯增加。這些結果揭示了全基因組重複對增加植物基因組的複雜性、物種形成與分化、物種環境適應性所起到的推動作用。

圖1. 基於基因組和轉錄組預測多倍化後重複的指數衰減模型（左上），本研究中檢測到的全基因組重複事件（右），以及多倍化後保留的重複基因功能富集分析（左下）。前人已報道的多倍化用藍色圓點（基於基因組數據）和紫色圓點（基於轉錄組數據）表示，本研究新發現的多倍化用紅色圓點表示。

據悉，該工作主要由復旦大學任任博士、福建農林大學王海峰博士和復旦大學國春策博士等完成， 戚繼研究員和馬紅教授為該論文的共同通訊作者。

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