中國科學(xué)院華南植物園研究員張奠湘/涂鐵要團(tuán)隊(duì)與山東理工大學(xué)教授羅中萊、加拿大多倫多大學(xué)教授Spencer C.H. Barrett等合作，首次完成了茜草科四倍體二型花柱植物——裂果金花的染色體水平基因組組裝與解析，并揭示了多倍體植物二型花柱調(diào)控機(jī)制。相關(guān)成果近日發(fā)表于《新植物學(xué)家》（New Phytologist）。
A.裂果金花、長柱型花與短柱型花；B.短柱型基因組Circos圖；C.半合子位點(diǎn)基因結(jié)構(gòu)示意圖；D.裂果金花與近緣物種旁系同源基因的Ks分布分析。研究團(tuán)隊(duì)供圖
花部形態(tài)的多樣性在被子植物進(jìn)化中扮演著核心角色，也是物種分化的重要推動力量。異型花柱是一種由S位點(diǎn)超基因（S-locus supergene）控制的花型多態(tài)現(xiàn)象，早在19世紀(jì)就已受到達(dá)爾文等學(xué)者的廣泛關(guān)注。異型花柱是指同一物種的群體中存在兩種（二型花柱）或三種（三型花柱）雌雄蕊高度互補(bǔ)的個(gè)體，這種花部結(jié)構(gòu)具有提高植物傳粉精確度、降低雌雄干擾、促進(jìn)異花傳粉等重要生態(tài)功能。英國生物學(xué)家達(dá)爾文曾將其形象地稱為A most complex marriage arrangement。
全基因組復(fù)制或多倍化是生物體的全部遺傳信息發(fā)生一次或多次復(fù)制的過程，對被子植物繁育系統(tǒng)和形態(tài)演化具有重要影響。經(jīng)典觀點(diǎn)認(rèn)為，多倍化常導(dǎo)致異型花柱向同型花柱轉(zhuǎn)變，即“基因組加倍引發(fā)異型花柱的瓦解”。然而，以往對異型花柱分子調(diào)控機(jī)制的研究都局限于二倍體，對于多倍體植物異型花柱的發(fā)生和演化還存在諸多未解之謎。
研究團(tuán)隊(duì)在國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助下，首次完成了茜草科四倍體二型花柱植物——裂果金花的染色體水平基因組組裝與解析，揭示了其控制花柱異長的S-locus supergene在多倍化后仍保持完整功能。基于全基因組測序、比較轉(zhuǎn)錄組、形態(tài)學(xué)、繁殖生物學(xué)等多種手段，獲得了裂果金花高質(zhì)量的染色體水平基因組，并鑒定到二型花柱相關(guān)的S位點(diǎn)（S-locus）超基因只存在于短柱花型的個(gè)體，呈半合子結(jié)構(gòu)；由包含SchzAUX22在內(nèi)的四個(gè)緊密連鎖的基因構(gòu)成。其中，SchzAUX22?是重要的生長素響應(yīng)因子，被鑒定為調(diào)控二型花柱發(fā)育的關(guān)鍵候選基因。
系統(tǒng)學(xué)和k-mer分析表明，裂果金花的基因組可能起源于約360萬年之前的異源多倍化事件。通過計(jì)算S-locus基因和其同源基因的同義替換率（Ks），發(fā)現(xiàn)S-locus的起源時(shí)間（約5000萬年前）遠(yuǎn)早于裂果金花多倍化的發(fā)生時(shí)間。這些證據(jù)表明，盡管裂果金花存在由雜交導(dǎo)致的異源多倍化，S-locus仍能保持完整并發(fā)揮功能；多倍化并不必然導(dǎo)致異型花柱的瓦解。這是首次從全基因組層面破譯多倍體植物異型花柱的分子機(jī)制。
“該成果為深入理解被子植物花部多態(tài)性及繁育系統(tǒng)的進(jìn)化提供了新的視角。”論文共同通訊作者、中國科學(xué)院華南植物園助理研究員石苗苗表示，該研究也標(biāo)志著在達(dá)爾文發(fā)表《同種植物的不同花型》148年后，人類對植物交配機(jī)制的理解再次迎來突破。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1111/nph.70521
本文鏈接：新研究揭示多倍體植物二型花柱調(diào)控機(jī)制http://www.sq15.cn/show-11-26023-0.html
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