水稻基因组加倍对籽粒大小调控基因表达的影响

水稻是最重要的粮食作物之一,提高水稻产量一直是育种的主要目标。水稻四倍体相对于二倍体具有籽粒变大、粒重增加的特点,研究基因组加倍后籽粒大小基因的调控模式,在育种应用方面具有十分重要的意义。本文以二倍体-四倍体水稻为材料,分析6个控制籽粒大小基因在幼穗发育中的表达差异,同时结合转基因实验,探讨基因剂量增加对基因表达水平和籽粒大小的影响。结果发现:基因组加倍后,水稻的发育进程不变,但株高增加,叶片变宽,籽粒变大,增大后的籽粒在籼稻表现为长、宽均增加显著,而在粳稻中长度比宽度增加更为明显。进一步分析控制籽粒大小基因的表达差异情况,发现这些基因的表达不仅受发育时期的影响,在籼粳亚种间也明显不同,即受遗传背景的影响。在基因组加倍的情况下,正调控基因GS5、HGW的表达普遍高于对应的二倍体;负调控基因GS3在籼稻D9311中趋于下调或沉默,而在粳稻DBl中趋于上调,GW2在D9311中上调,而在DBl中趋于沉默。通过转基因实验分析负调控基因GW2在二倍体Bl中的表达趋势,发现其在基因剂量线性增加的情况下,表达水平高于二倍体和四倍体,导致其籽粒变小。本研究结果有助于了解水稻中控制籽粒大小的基因在二倍体和四倍体中的表达模式,为高产育种提供理论依据。

禾本科V-ATPase基因家族与全基因组加倍关联的适应性进化分析

V-ATPase在植物适应逆境中起着非常重要的作用,本研究以重要模式植物拟南芥V-ATPase相关基因为目标序列,通过在6个禾本科植物(水稻,大麦,玉米,高粱,谷子和二穗短柄草)基因组中进行比较分析,揭示该基因家族扩增机制和适应性进化进行研究。分析发现,七个不同的植物基因组虽然经历了不同全基因组加倍,其中谷子与玉米加倍关联的基因数量最多,但V-ATPase基因数量在每个基因组非常相近,尤其是禾本科中玉米相对其它物种多一次单独的特异性加倍,然而这一基因家族数量并未增加,这表明全基因组加倍虽然在一定程度上使得家族基因扩增,但是基因丢失可能也维持了该基因组的剂量;对七个基因组中的161个V-ATPase基因进行motif分类确定,不同物种基因组中的motif结构不同,拟南芥和水稻中c-亚基相关的基因数量最多;系统发育分析发现,拟南芥基因和水稻基因进化相对较快,并且在拟南芥中这一基因家族有3个基因簇,它们与基因的串联重复加倍有关联;适应性进化分析揭示B-亚基相关的基因在进化过程中受正选择压力影响进化。

海洋生物多样性中心形成与演变机制的比较基因组研究进展

在大气圈、水圈、岩石圈和生物圈等多圈层相互作用下,全球范围内海洋生物多样性中心的地理位置、物种组成结构和优势度都呈动态变化。迄今,海洋生物多样性中心的形成与演变机制在生态、遗传和分子等层面正逐步得到解析。在生态层面,学界涌现出了物种形成中心、物种汇聚中心、物种重叠中心和物种保存中心等重要科学假说,解析了生物多样性分布格局的重塑以及生物多样性中心的形成机理;其中,地质和洋流等是生物多样性分布格局形成的重要制约因素,从而形成了类似华莱士区这样具有特殊生物多样性的区域。在遗传层面,物种种内或种间频繁的基因交流和适应性辐射可以促进生物间不同基因型和表型的重新组合,衍生出更高更复杂的生物多样性水平,进而加速了生物多样性中心的形成。在分子层面,染色体进化、基因组多倍化、超级基因形成、基因复制、基因渗入、水平基因转移、遗传通路的进化和调控元件的进化等分子调控与进化机制可以引发新性状的形成和物种的多样化,从而推动生物多样性中心的形成。本文重点介绍了比较基因组学方法在揭示海洋生物多样性形成与演变的分子生物学机理方面的研究进展。对于海洋生物多样性中心形成和演变机制的深入了解,不仅可以提高我们对生物多样性动态变化理论的认知,亦可以促进海洋生物多样性保护和资源利用手段的改进和提高。

鳙Sox基因克隆及序列进化分析

利用简并引物SoxN和Sox9在鳙基因组DNA中进行PCR扩增和产物克隆测序,并对序列进行同源性比较和系统进化分析。结果表明本文鉴定出鳙15个Sox基因HMG盒序列,分别属于SoxB、SoxC和SoxE组,依据斑马鱼同源基因将其分别命名为Sox1a、Sox1b、Sox2、Sox3、Sox4a、Sox4b、Sox9a、Sox9b、Sox10、Sox11b、Sox12、Sox14a、Sox14b、Sox19和Sox21a。基于鳙和斑马鱼Sox1、Sox4和Sox9基因核苷酸序列构建的系统进化树显示这3个Sox基因的复制时间发生在鳙和斑马鱼的分化之前,结果支持了鱼类特异的基因组复制假说。以Sox1a、Sox1b和Sox4基因为分子钟标记构建系统进化树探讨鳙和斑马鱼的分化时间,结果显示,同属于鲤科鱼类的鳙(鲤亚科)和斑马鱼(鱼丹亚科)在原始的鱼丹亚科鱼类中存在一个共同祖先,大约出现在63.7百万年前。研究结果为进一步研究鱼类Sox基因复制和基因组进化等问题提供了重要参考资料。

多倍体在植物进化中的意义

几乎所有的开花作物都为多倍体植物,其基因组至少经历1次以上的全基因组加倍事件。随着测序技术的不断革新,人们对作物的基因组以及基因组的演化历史有了全新认识。分析了全基因组加倍在物种进化中的意义:多倍化改变基因组结构,丰富物种的遗传多样性,改变重复基因表达模式,增强物种的适应性,并展望多倍化在作物遗传育种中的应用。

棉花基因组结构进化研究进展

近年来,随着测序技术的发展,棉花多个亚基因组相继被测出,在全基因组水平上对棉花基因组结构与进化就有了新的认识。多倍化在植物进化过程中是普遍存在的,最新的研究表明,棉花在其进化过程中经历了复杂的多倍化过程,也造成了棉花的基因组结构异常复杂。本综述概述了棉花基因组的研究进展,包括棉花经历的全基因组加倍、比较基因组学在棉花基因组学中的应用、棉花基因组进化情况等方面进行了介绍和综述,并对其在棉花其他亚基因组中的应用研究进行了展望。

染色体数目减少及B染色体产生的进化基因组学模型

在长期进化过程中,染色体数目展示出动态性变化.关于真核生物染色体进化仍有许多谜团,一个是如何维持染色体数目,另外一个是B染色体是如何产生的.全基因组测序工作的开展为认识染色体数目变化提供了新的机会,特别是反复的多倍化事件后染色体的改变有助于人们理解相关生物学规律和机制.通过比较基因组学分析,本文提出了染色体数目变化与B染色体产生的模型,认为染色体数目的减少主要是由于染色体融合,并且端粒的丢失及B染色体的产生在基因组重新整合和染色体数目减少中起着重要作用.

十字花科开花相关基因SBP进化的基因组信息学分析

开花是植物由营养生长转为生殖生长的一个标志,鳞状启动子结合蛋白样(squamosa promoter binding protein-like, SBP)是一类重要调控开花相关的基因。在8个十字花科基因组中对SBP进行比较分析,鉴定了每个基因组中SBP的同源拷贝,每个基因组中基因拷贝数存在显著差异,其中最多的是在甘蓝中,有30个基因;一个突出的发现是在四倍体基因组中不同亚基因组的SBP具有一定的偏性,如四倍体芥菜-A基因组SBP拷贝数(21)高于芥菜-B基因组(19),在四倍体欧洲油菜中A基因组的SBP拷贝数(23)高于芥菜-A基因组(21),但低于欧洲油菜-C基因组中拷贝数(25)。搜索SBP处于共线性区域上基因,发现不同的全基因组加倍事件都有利于家族基因拷贝数扩增,尤其是十字花科共有的古老加倍(β),拟南芥、萝卜、黑芥等6个基因组的SBP基因几乎都与β加倍关联的重复区域相关联;另外串联重复加倍对于家族基因扩增也具有重要作用。对系统发育进行分析,并对同一事件的同义核苷酸置换率(Ks)进行比较,发现甘蓝、萝卜进化速率可能比白菜快;另外一个重要的发现是四倍体亚基因组A中SBP的进化速率快于另外的B和C基因组。本研究为认识十字花科开花相关转录因子SBP进化提供了重要的基因组学基础,有助于今后的更深入研究。

葡萄、桃和可可基因组的进化分析

本研究以葡萄、桃和可可为研究对象，基于比较基因组学，利用基因同源共线性方法对基因组内的结构和基因组间同源信息进行比对分析，确定了物种基因组内和基因组间的同源片段。通过统计3个物种基因组间的同源共线基因的保留情况发现，葡萄基因组的保留情况最好，桃次之（为73．4％），可可最差（为68．9％），其丢失均可能是由于双子叶植物共有的三倍化导致基因组稳定性遭到破坏。另外，共线基因间的同义核苷酸替换率的频数分布证实，葡萄、桃和可可仅经历过一次古老的全基因组三倍化，并未经历最近的全基因组加倍，且可可基因组进化最快，葡萄基因组进化最保守；3个物种的分歧时间分别为：葡萄（～110Mya）、可可（～90Mya）、桃（～80Mya）。本研究将为3个物种及双子叶植物基因组的结构、功能和进化等研究提供重要的理论依据。

水稻粒形调控相关基因进化的全基因组尺度分析

水稻粒形相关基因,对于调控作物产量和品质都具有十分重要的作用,但关于其进化缺少一个系统的、全基因组尺度的比较基因组学分析。研究以已鉴定的水稻粒形相关基因为目标序列,在8个禾本科植物中进行比较基因组学分析,旨在全基因组范围揭示不同粒形基因在多个禾本科作物种系中的进化规律。基于同源比对分析发现,不同基因组中粒形相关基因数量不具有明显差异,平均每个基因组中粒长和粒宽相关的基因分别有364和75,其中较多的是谷子,有423粒长、71粒宽调控基因。基因组同源共线分析,发现全基因组加倍和串联重复对于家族基因拷贝数增加具有重要贡献,但是重复基因丢失可能维持了基因数量的稳定。通过粒形基因中旁系同源基因对间的同义核苷酸置换率(Ks)比较,揭示不同的粒形基因具有不同的进化速率,进化最快的是粒长调控相关基因An-1。本研究为认识水稻粒形调控相关基因进化提供了重要的理论基础,对于禾本科粒形相关基因从全局尺度到单基因的进化具有极为重要的意义。

多倍体植物混合倍性种群的建立机制研究进展

基因组多倍化是物种形成和进化的重要驱动力,几乎所有植物都经历过至少一次基因组加倍。然而,由于多倍体植株比二倍体表现出更高的死亡率,多倍化机制被认为是植物进化的"死胡同"。一些植物物种具有自然混合倍性种群,即同一物种具有不同倍性,这为揭示多倍体的进化机制提供了最佳途径。本文从基因组加倍形成多倍体植物开始,综述了混合倍性种群的形成、建立与维持的研究进展,探讨了多倍体适应自然环境的种群分化而形成多倍体物种的机制。研究自然混合倍性种群的倍性组成、重复基因的功能分化以及多倍体的生态位分化,有利于明确混合倍性自然种群的生态适应与维持机理,以及多倍体植物的进化机制。

玉米核型进化的比较研究

本研究以水稻、高粱和玉米为研究对象,基于比较基因组学方法,来研究玉米的核型进化。研究结果表明:在这三个禾本科植物中,水稻进化时间最为古老,水稻的基本染色体数是12;水稻的12条染色体经过2次染色体融合事件最终形成了高粱的10条基本染色体;玉米与水稻、高粱不同,又单独进行了一次全基因组加倍事件,加倍后染色体数目从高粱的10条变为20条,随后又经历了染色体融合事件,最终形成了目前的玉米的10条基本染色体。