多倍化是杂草起源与演化的驱动力

杂草及外来植物入侵给全球经济发展及生态环境都带来了严重危害,研究其起源与演化将有助于它们的管理与控制。多倍化是植物进化的主要驱动力量,然而多倍化在杂草起源与演化中的作用还停留在种类统计以及零碎的研究案例证据上。本文综述了植物多倍体基因组结构及基因表达的研究进展以及染色体加倍后的生态学效应。多倍化促进了基因组水平与表型水平的进化,影响物种或群体生存竞争能力和繁殖扩展能力,提高物种或群体生态适应性。这一遗传过程可能促使外来种在新的生境中的成功入侵进而转变为杂草,并提出重视开展对杂草及外来入侵植物的多倍化研究的设想。     

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.     

我国科学家破解植物多倍化进化之谜

<正>今日,由中国农业科学院蔬菜花卉所王晓武研究团队和美国科学院院士Michael Freeling团队合作,完成了植物基因组多倍化进化过程中基因分化和多基因组分化的机理阐述,相关研究成果已发表在国际权威学术杂志《美国科学院院刊》(PNAS)上。植物在进化过程中通过基因组加倍(多倍化)的扩增方式进行自我进化和适应自然环境。随着DNA测序技术的快速发展,越来越多的植物基因组被公布,从而使得通过比较基因组学来阐明植物多倍化进化机制成为可能。     

柚子基因组比较分析以及祖先染色体重构

柚子(Citrus grandis Osbeck)全基因组测序完成为柑橘植物乃至整个芸香科植物提供了研究机会。本研究通过对柚子基因组结构分析,鉴定柚子基因组中存在的由多倍化产生的重复基因,构建了葡萄基因组和柚子基因组之间与多倍化、物种分化相关联的同源共线性基因列表,为柚子基因组进化和基因功能演化提供了重要的比较基因组学数据资源;通过与外类群葡萄保留的同源染色体区域进行比较,发现柚子基因组在多倍化之后发生了大量的片段化重组;利用葡萄基因组保留有较完整的染色体结构相对于真双子叶六倍体(ECH),结合葡萄和柚子基因组之间的同源关系,推断出柚子祖先基因组结构。本研究对理解柚子基因组乃至柑橘植物基因组以及其进化提供了重要的比较基因组学的基础。     

植物NRT2家族的分子进化

为了研究硝酸盐转运子NRT2家族在植物中的进化关系,综合利用共线性信息和序列相似性信息,从8种已经进行过全基因组测序的物种(大白菜、大豆、杨树、葡萄、玉米、水稻、高粱、二穗短柄草)中,搜索拟南芥NRT2的同源基因。通过分析发现,这些基因序列基本都具有MFS超家族的NNP家族基因的典型特征。但单、双子叶植物之间,NRT2的基因结构存在着较大的差异。系统发育重建结果表明,NRT2基因家族的成员主要是在单、双子叶植物分歧后进化产生的;同时,不同植物的NRT2基因又具有不同的进化模式。大白菜NRT2家族经历了基因组三倍化事件及基因片段丢失。因此,拟南芥和大白菜的NRT2家族有较为密切的进化关系,进化分析为利用已有的拟南芥NRT2研究结果进一步在大白菜中开展NRT2的功能研究提供了参考线索。     

芸薹属二倍体种、四倍体种及人工合成多倍体的基因表达差异

植物的杂交和多倍化能够导致基因组结构发生变化并最终影响基因的表达.以甘蓝型油菜自然四倍体、人工合成四倍体、五倍体、六倍体及其双亲白菜型油菜和甘蓝为试材,比较研究了35个基因在不同倍性芸薹属材料中的转录表达特性,探讨基因组剂量对基因表达的影响.在研究的35个基因中,80%的基因表现为非加性表达;60%的基因在人工合成四倍体与自然四倍体中表达水平差异显著.在人工合成四倍体、五倍体甘蓝型油菜中,分别发现有2个和1个基因发生沉默.相对于其二倍体亲本白菜和甘蓝,发现1个基因在甘蓝型油菜中基因的表达被激活.结果为探讨基因组剂量与基因表达的关系提供了参考.     

利用LEAFY基因探讨拟单性木兰属植物的多倍体起源及进化(英文)

[目的]通过对LEAFY基因进行克隆和分析,来探讨拟单性木兰属植物的多倍体起源及进化。[方法]通过分子生物学手段克隆并测序拟单性木兰属内及近缘属的LEAFY基因DNA序列,并结合NCBI中公布的部分木兰科植物LEAFY基因序列,通过序列比对、系统进化分析及自然生境分布的分析,来探讨拟单性木兰属多倍体的起源方式,分析不同倍性植物分布格局形成的原因。[结果]利用LEAFY基因能够将木兰科植物区分开来,且在LEAFY基因上发现了一个长度多态,能够很好地将不同种属的木兰科植株区分开,具有重要应用价值。[结论]四倍体拟单性木兰多倍体的产生多是同源多倍化的结果,而六倍体拟单性木兰多倍体的产生是同源多倍化与异缘杂交共同作用的结果。     

大豆HSP20基因的鉴定及表达分析

HSP20是一种小分子热激蛋白,在植物生长发育和抗胁迫过程中发挥重要作用.研究利用生物信息学方法对大豆中56个GmHSP20家族基因进行了鉴定,并对其理化性质、基因结构、进化关系、启动子原件以及表达模式进行了分析.56个家族基因分为11个亚族,分布在18条染色体上;氨基酸长度不一、分子量和等电点变化范围比较大;启动子原件分析发现含有植物胁迫相关的元件.基因表达模式显示:GmHSP20家族基因在种子发育第42天表达水平较高.此外,研究还发现GmHSP18.5A和GmHSP18.5B在大豆不同部位和各生长发育阶段都有表达且表达水平较高,具有相似的表达模式.     

玉米自交系B73全基因组cystatin抗虫基因家族分析

半胱氨酸蛋白酶抑制剂(cystatin)基因具有cystatin结构特征的蛋白结构域,广泛存在于植物或动物体内。此类基因在植物或动物蛋白质组中具有多个功能各异的家族成员,并在抗虫中扮演重要角色。通过利用玉米B73全基因组的基因表达序列数据,对12个cystatin基因的结构组成、染色体分布、系统进化等进行了分析。鉴定了该基因家族在蛋白序列间3个高度保守基序,构建了基因家族系统进化树,为该重要基因家族的进化提供了依据的同时也为克隆和分离该类抗虫基因提供参考。     

无油樟与葡萄、拟南芥、水稻基因组的多倍化及共线性分析

以无油樟、葡萄、拟南芥和水稻为研究对象,基于比较基因组学的研究方法,对物种基因组内和基因组间进行同源结构和共线性分析。结果表明,无油樟与葡萄基因组之间的同源共线性片段最长,葡萄基因组保留的共线性基因数最多(50.9%),无油樟与葡萄、水稻基因组之间保留的无油樟基因数最多(30.6%)。同时构建了多物种基因组联合比对图谱,明确基因组经历的多倍化事件对单、双子叶植物同源共线性基因的影响,为探讨单、双子叶植物的共同祖先以及被子植物的进化过程提供了重要的参考依据。     

The evolution of resistance gene in plants

Resistance genes enable plants to fight against plant pathogens. Plant resistance genes (R gene) are organized complexly in genome. Some resistance gene sequence data enable an insight into R gene structure and gene evolution. Some sites like Leucine-Rich Repeat (LRR) are of specific interest since homologous recombination can happen. Crossing over, transposon insertion and excision and mutation can produce new specificity. Three models explaining R gene evolution were discussed. More information needed for dissection of R gene evolution though some step can be inferred from genetic and sequence analysis.     

Mobile elements: drivers of genome evolution

Mobile elements within genomes have driven genome evolution in diverse ways. Particularly in plants and mammals, retrotransposons have accumulated to constitute a large fraction of the genome and have shaped both genes and the entire genome. Although the host can often control their numbers, massive expansions of retrotransposons have been tolerated during evolution. Now mobile elements are becoming useful tools for learning more about genome evolution and gene function.     

香蕉束顶病毒分子生物学的研究进展

对香蕉束顶病毒核酸的性质、基因组的结构及其功能、病毒在寄主体内的复制机理、病毒的分类地位以及基因的体外表达等方面进行了较为全面的综述,并对需要进一步研究的问题进行了探讨。     

甘蔗叶绿体基因组研究进展

随着现代分子生物学技术的发展,目前已经完成了多种植物叶绿体基因组的全序列测定,并研究了这些基因的结构、功能与表达。大部分高等植物的叶绿体基因组结构稳定,基因数量、排列顺序及组成上具有保守性。随着甘蔗叶绿体基因组测序工作的完成,为甘蔗叶绿体相关研究奠定了良好基础。文章从甘蔗叶绿体基因组图谱、结构和功能基因、叶绿体RNA编辑以及甘蔗属叶绿体系统进化等方面综合概述了甘蔗叶绿体基因组研究取得的成果,并从甘蔗叶绿体遗传转化、甘蔗及近缘属叶绿体基因组测序和叶绿体基因组cpSSRs开发利用等方面指出甘蔗叶绿体基因组今后的研究方向。     

甘蔗叶绿体基因组研究进展（英文）

随着现代分子生物学技术的发展,目前已经完成了多种植物叶绿体基因组的全序列测定,并研究了这些基因的结构、功能与表达。大部分高等植物的叶绿体基因组结构稳定,基因数量、排列顺序及组成上具有保守性。甘蔗叶绿体基因组测序工作的完成为甘蔗叶绿体相关研究奠定了良好基础。文章从甘蔗叶绿体基因组图谱、结构和功能基因、叶绿体RNA编辑以及甘蔗属叶绿体系统进化等方面综合概述了甘蔗叶绿体基因组研究取得的成果,并从甘蔗叶绿体遗传转化、甘蔗及近缘属叶绿体基因组测序和叶绿体基因组cpSSRs开发利用等方面指出甘蔗叶绿体基因组今后的研究方向。     

Structural dynamics of eukaryotic chromosome evolution

Large-scale genome sequencing is providing a comprehensive view of the complex evolutionary forces that have shaped the structure of eukaryotic chromosomes. Comparative sequence analyses reveal patterns of apparently random rearrangement interspersed with regions of extraordinarily rapid, localized genome evolution. Numerous subtle rearrangements near centromeres, telomeres, duplications, and interspersed repeats suggest hotspots for eukaryotic chromosome evolution. This localized chromosomal instability may play a role in rapidly evolving lineage-specific gene families and in fostering large-scale changes in gene order. Computational algorithms that take into account these dynamic forces along with traditional models of chromosomal rearrangement show promise for reconstructing the natural history of eukaryotic chromosomes.     

逆转座子LINE-1在基因组中的调控作用

近年来研究发现真核生物基因组中的许多重复序列以及基因的内含子参与基因表达的调控。在这些重复序列中,有一种广泛分布于基因组中的逆转座子LINE-1,目前发现其对细胞的增殖与分化以及肿瘤的发生起着非常重要的作用,具体表现为影响基因的转录及整个基因组的稳定性、参与X染色体失活及基因组进化等。在正常细胞的分化调控中,基因的激活与沉默具有时间与空间的特异性,实现其“预定”的、有序的、不可逆转的分化过程。主要阐述了逆转座子LINE-1的结构特征和其在基因组中的调控作用及这些作用影响基因表达从而调节生物体的生命活动。研究LINE-1的调控机制对认识细胞的时空调控以及癌症的发生与发展具有重要的价值。     

转座子在基因组和基因进化方面的研究进展

从转座子插入对基因组产生的重组、异位、倒位以及对基因产生的沉默、表达等方面阐述了转座子对基因组和基因进化的重要作用,从转座子在基因中插入位置的不同对基因表达和功能产生的影响进行了综述。     

Parallel patterns of evolution in the genomes and transcriptomes of humans and chimpanzees

The determination of the chimpanzee genome sequence provides a means to study both structural and functional aspects of the evolution of the human genome. Here we compare humans and chimpanzees with respect to differences in expression levels and protein-coding sequences for genes active in brain, heart, liver, kidney, and testis. We find that the patterns of differences in gene expression and gene sequences are markedly similar. In particular, there is a gradation of selective constraints among the tissues so that the brain shows the least differences between the species whereas liver shows the most. Furthermore, expression levels as well as amino acid sequences of genes active in more tissues have diverged less between the species than have genes active in fewer tissues. In general, these patterns are consistent with a model of neutral evolution with negative selection. However, for X-chromosomal genes expressed in testis, patterns suggestive of positive selection on sequence changes as well as expression changes are seen. Furthermore, although genes expressed in the brain have changed less than have genes expressed in other tissues, in agreement with previous work we find that genes active in brain have accumulated more changes on the human than on the chimpanzee lineage.