欄目
首頁 > 科研動態 > 科研進展

古重復、新基因與“雨后春筍”——昆明植物所團隊研究揭示竹子莖稈快速生長的遺傳機制

  演化創新evolutionary innovation)貫穿于整個生命之樹(Tree of Life),如被子植物的花和鳥類的羽毛分別為植物和鳥類開拓和適應新的生態位提供了重要前提,其如何產生是演化與發育生物學研究的基本問題和主要挑戰之一。近年來,越來越多的研究表明,新基因是演化創新的主要驅動力之一。幾乎所有的物種都包含一定數量的孤兒基因(特有新基因),而孤兒基因有多種起源方式,其中最引人注目的是從頭起源(de novo origination),因為從頭起源基因是驅動演化創新的關鍵角色。最近的研究證實了水稻中從頭起源基因的真實存在,然而該類型的基因在其它植物中是否普遍存在,其演化是否推動了表型創新,孤兒基因如何快速地影響蛋白質水平的多樣性及其生物學功能,這些問題尚有待進一步的研究來回答。

  竹子是禾本科在森林生態系統中多樣化的竹亞科植物的總稱,全世界共有超過1,600個物種。相對其它禾本科植物而言,木本竹子具有木質化且高大的莖稈,如我國亞熱帶地區廣泛栽培的毛竹 (Phyllostachys edulis) 可高達20 m,而另一些物種如云南熱帶的巨龍竹(Dendrocalamus sinicus)則可超過30 m,是世界上最高大的禾草。同時,竹子的莖稈生長極其迅速,如毛竹幼嫩莖稈(筍)一天生長可達1米。因此,“雨后春筍”常常用來形容新生事物的大量和快速涌現。這種快速生長作為木本竹子的關鍵創新性狀,使其能夠與其它樹木競爭,從而適應森林環境。近年來,我國科學家先后破解了毛竹(四倍體)、蕓香竹(六倍體)和草木竹子莪莉竹(二倍體)的基因組。基因組學的研究表明,木本竹子經歷了全基因組加倍(WGD)事件,使竹子成為研究WGD、新基因和演化創新的一個重要模式系統。 

  中國科學院昆明植物研究所李德銖團隊、章成君團隊與美國芝加哥大學龍漫遠教授合作開展了竹子新基因功能演化的研究。研究團隊對毛竹基因組數據進行基因組系統發育地層學 (phylostratigraphy)和演化轉錄組學分析,鑒定到1,622個竹子特有的孤兒基因。進一步的研究表明,這些孤兒基因中有19個是從頭起源(de novo)基因,其中的4個基因還得到了蛋白質證據的支持。以往的研究表明,新基因主要是在繁殖器官中高表達,如被子植物的花粉中。有趣的是,在竹子中,不管是孤兒基因還是從頭起源基因都在快速生長的竹筍中高表達,尤其是在其快速生長的轉折點表達量達到最高,快速生長的竹筍可能是竹子新基因產生的“孵化器”。同時,WGD重復基因也在竹筍中偏好性地特異高表達,大多數WGD基因的形成時間和木本竹子基因組的加倍時間吻合。這些WGD基因中的一個拷貝發生了表達特異性分化,另一個拷貝則保留了其母基因廣譜表達的特征。孤兒基因(包括從頭起源基因)與表達分化的WGD基因都在莖稈快速生長的共表達模塊中富集,它們可能通過共同作用重塑了莖稈生長的表達網絡,從而驅動了竹子莖稈快速生長這一創新性狀的形成。該研究為解析竹子快速生長這一獨特性狀起源演化的遺傳基礎提供了新視角,也為新基因如何作用新性狀起源提供了一個嶄新的例證。 

  日前,研究成果以“New Genes Interacted with Recent Whole Genome Duplicates in the Fast Stem Growth of Bamboos”為題在國際演化生物學領域重要期刊Molecular Biology and Evolution在線發表。中國科學院昆明植物研究所金桂花博士和馬朋飛副研究員為論文的共同第一作者,李德銖研究員、章成君研究員和芝加哥大學龍漫遠教授為共同通訊作者。該研究得到了中國科學院戰略性先導科技專項(No. XDB31000000)、國家自然科學基金 (No. 31571311)、美國國家科學基金會( NSF 2020667和中國科學院青年促進會(No. Y201972)項目的支持。 

  文章鏈接 

1. 與禾草相比顯示木本竹子的形態性狀和系統發育地層學年齡 

 

圖2. 竹筍特異表達基因及其演化模式

TOP caoprom超碰公开,caoprom超碰公开,国产97人人超碰caoprom,超碰97人人做人人爱