植物古基因组学研究进展

植物古基因组学是基因组学一个新兴分支,从现存物种中重建其祖先基因组,推断在古历史中导致形成现存物种的进化或物种形成事件。高通量测序技术的不断革新使测序读长更长、更准确,加快了植物参考基因组序列的组装进程,为古基因组学研究提供了大批量可靠的现存物种的基因组序列资源。全基因组复制(whole-genome duplication, WGD)亦称古多倍化,使植物基因组快速重组,丢失大量基因,增加结构变异,对植物进化极其重要。本文综述了植物基因组测序与组装研究进展、植物古基因组学的原理、植物基因组WGD事件以及植物祖先基因组进化场景,并对未来植物古基因组学研究进行了展望。     

基于转录组数据揭示4种兜兰的全基因组复制历史

多倍化或全基因组复制(WGD)是物种多样性发生的重要驱动力。目前, 在蕨类、菊科以及豆科等类群丰富的植物中已多次报道全基因组复制事件, 而兰科(Orchidaceae)全基因组复制事件报道极少, 与其丰富的物种多样性存在矛盾, 推测与前期样本量小但类群跨度大的研究策略有关。选取染色体数目变异丰富且多样性较高的兜兰属(Paphiopedilum)为兰科植物代表类群, 基于共享数据库中4种兜兰的转录组数据, 采用同义替换率(K_s)、系统发生基因组学以及相对定年的方法分析兜兰属植物是否发生过全基因组复制事件。结果表明, 在4种兜兰中均检测到3次全基因组复制事件, 分别发生在110.17-119.77 Mya (WGD1)、60.95-74.19 Mya (WGD2)和38.19-45.85 Mya (WGD3)。其中, WGD3为新检测到的全基因组复制事件, 推测其发生在杓兰亚科(Cypripedioideae)与姐妹类群分化后, 兜兰属与姐妹类群分化之前。此外, 3次全基因组复制事件发生后优先保留的基因拷贝在功能上多与当时的环境胁迫响应相关, 推测全基因组复制提高了兜兰属植物祖先对当时极端环境变化的适应性。     

基于系统基因组学分析揭示早期陆生植物的复杂网状进化关系

植物由水生走向陆生的进化过程中经历了非常复杂的演化,期间产生的大量基因的进化路线可能互不相同,因此仅仅使用系统发育树无法呈现真实的演化关系。系统发育网络图能够清楚地展示包括垂直演化和水平演化在内的复杂网状进化关系。本文选取莱茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)和4种陆生植物,利用系统基因组学的方法,筛选得到1,668个一对一直系同源基因,重新构建了陆生植物的系统发育网状进化关系。结果发现,使用不同的分析策略所得到的系统发育树不同;对1,668个基因单独分析,发现存在15种不同的拓扑结构;对5个物种筛选得到的直系同源基因进行系统发育网络分析显示,在非常稳健的系统发育网络图中,仅仅5个物种就存在9个不同的分离支,暗示着非常复杂的网状进化关系;而且藻类植物与苔藓植物和石松类植物的分离支之间差异很小,这可能是产生系统发育树冲突的原因之一,也暗示着早期陆生植物发生了复杂的辐射演化。     

重要林木樟科植物全基因组测序研究进展

近年来,随着测序技术的革新、测序成本的降低和生物信息学软件的开发,植物全基因组研究蓬勃发展。樟科(Lauraceae)隶属被子植物木兰类,泛热带分布,物种多样性高,其中很多物种具有重要的经济和生态价值,目前已发表包括8个物种的13个基因组。该文从樟科全基因组研究现状、基因组特征、起源和进化以及功能基因和基因家族4个方面进行综述,着重介绍基于组学数据的木兰类及樟科的系统发生、樟科经历的多倍化事件以及与樟科花器官进化和代谢产物相关的基因鉴定。结合研究现状展望了樟科基因组研究的发展方向,建议通过增加测序基因组分支的代表性并关注具有特殊价值的物种,及研究物种特异性功能基因以加深对该家族基因功能和进化的理解。     

基于5993个核基因的被子植物系统发育关系研究

系统发育关系的构建对被子植物分类及进化研究非常重要。长期以来,被子植物系统发育的研究,大多使用质体基因、线粒体基因或少数保守的单拷贝核基因。该研究从已注释基因组或转录组中搜集88种被子植物(包含58目)的核基因集;通过对其进行同源基因聚类及去旁系同源基因,获得了5 993个一对一的直系同源基因家族(即对于每个基因家族,每种植物最多一条序列,最少包含50个物种);使用截取各种不同数目基因集的DNA或氨基酸序列,采用串联法(concatenation)和溯祖法(coalescence),共构建了20棵进化树。比较这些进化树,虽然大部分结果支持APG IV中描述的被子植物主要支系之间的关系[(真双子叶植物,单子叶植物),木兰类植物],但真双子叶植物内部各目分支的演化关系与APG IV有一个很大的不同,即认为檀香目和石竹目是蔷薇类植物的姊妹群。基于这些进化树,估算了被子植物各目分支的分化时间,结果表明被子植物的起源时间为237.78百万年前(95%置信区间为202.6～278.08),与主流观点认为的225百万年至240百万年前一致。以上结果为构建进化树提供了一种可行性策略,这种方法允许使用基...     

基于Ks分布的被子植物演化的时间尺度研究

物种演化时间估算是生命演化研究的重要部分。近年来,许多研究发现由于不同基因和不同物种的进化速率差异显著,因此需要新的方法对进化事件发生时间进行重新估计。为了对被子植物演化时间的重新估计,该研究基于共享多倍化事件或共享分歧事件应该有共同同义突变率(Ks)峰值的理念,建立了基于基因组数据的进化速率矫正模型。结果表明:(1)对获取Ks分布三种常见方式进行比较分析,明确了通过提取共线性区块上Ks值的中位数的方式最优。(2)模拟了Ks值随时间累积系数(v)变化过程下的Ks分布,当假设v服从正态分布时,Ks分布出现了长尾现象。(3)将矫正方法应用到被子植物中,发现不同谱系的被子植物具有同步的辐射进化和适应性进化现象。并且,被子植物的进化速率虽然差异显著,但不同分支间的进化速率仍具有部分一致性,如木兰类植物进化速率最慢,真双子叶植物次之,单子叶植物进化速率最快。最终得到了相对可靠的物种同义突变率演化时间轴,为植物研究提供了系统发育和演化的支撑。     

梅花草属叶绿体基因组进化分析

叶绿体基因组序列变异和基因组成等特征可有效反映植物类群间的系统发育和进化关系。本研究利用Illumina高通量测序平台对梅花草属（Parnassia）及其近缘属5种植物的叶绿体基因组进行测序和组装,同时基于已发表的近缘种叶绿体基因组信息,对梅花草属叶绿体基因组结构特征、序列遗传变异和蛋白编码基因密码子偏好性比对分析。结果显示：梅花草属叶绿体基因组整体结构较为保守,均为四分体结构;梅花草多个基因出现假基因化,而本属其他物种叶绿体基因组成一致,均编码115个基因;与近缘属物种相比,本属所有物种均丢失rpl16基因的内含子;蛋白质编码基因的非同义/同义替代率比值较低,叶绿体基因可能经历纯化选择作用;密码子偏好性聚类结果与蛋白编码序列重建的系统发育关系结果一致。本研究表明选择压力可能在梅花草属叶绿体基因组蛋白编码基因进化过程中发挥作用,有助于进一步理解梅花草属植物的进化和适应机制。     

染色体数据的挖掘及其在植物多样性进化研究中的利用

多倍化（或全基因组加倍）是植物物种形成的重要途径,现存的被子植物可能都发生过一次甚至多次多倍化事件。多倍化传统的定义是染色体数目相对于祖先类群呈整倍性增加。其中最常用的研究方法是核型分析,核型能够提供物种的基本细胞学参数,包括染色体数目、倍性水平、核型不对称性、核型变异系数等。目前核型研究的趋势表现出从物种基本核型参数分析逐渐演化到多类群、多学科交叉融合的特点：一方面植物核型分析从种群、物种、科属的类群到生命之树,探讨染色体核型在各支系的进化特征、趋势以及驱动植物系统进化的细胞学机制;另一方面探讨和分析区域或生态系统植物区系的染色体谱或倍性等细胞学特征,可以探究区域地质环境变化或生态环境对染色体倍性等的影响,或通过区域染色体谱的构建,分析区域植物区系的形成和进化历史。因而,植物核型研究为系统发育、分子系统进化、生命之树以及植物区系地理的起源和演化研究提供了新思路。越来越多的新方法、新手段在植物核型分析与多倍化研究中得到运用,从而揭示了植物类群或植物区系的染色体进化以及细胞地理特征。今后植物细胞学研究趋势会向多学科交叉融合,整合各研究领域证据,从不同水平角度综合分析植物核型多样性形成的原因及意义,从而更加全面地认识和理解植物物种多样化与物种形成原因。     

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(~110 Mya)、可可(~90 Mya)、桃(~80 Mya)。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。     

植物颗粒结合淀粉合酶GBSS基因家族的进化

为全面理解植物颗粒结合淀粉合酶(GBSS)基因在植物中的进化模式并重建其进化历史, 利用20种陆生植物和2种藻类植物的基因组数据, 通过生物信息学手段, 深入挖掘和分析植物类群基因组中GBSS基因家族的构成和基因特点, 推测其可能的扩增和丢失规律。结果共识别42条同源序列。系统发育和进化分析表明, GBSS基因起源古老, 可能在所有绿色植物的祖先中就已经出现, 之后在进化过程中不断发生谱系的特异扩张和拷贝丢失, 并最终通过功能分化的形式在植物类群中被固定。     

胡颓子科叶绿体基因组系统发育分析与演化趋势推断

【目的】为探索胡颓子科叶绿体基因组演化趋势,从而为胡颓子科植物物种鉴定以及资源开发利用提供理论依据。【方法】研究从头组装并注释了沙棘属（Hippophae）和野牛果属（Shepherdia）共4个类群的叶绿体基因组,结合已发表的叶绿体基因组序列,比较了胡颓子科各类群叶绿体基因组的基因构成、重复序列和结构特征,建立了系统发育树,并通过高分化区定位了该科叶绿体基因组的潜在DNA条形码区域。【结果】胡颓子科各属叶绿体基因组在四分体结构、基因数量和排列上高度相似;沙棘属和野牛果属的反向重复区（IR）和整个基因组重复序列数目较胡颓子属有扩张和增加的趋势。基于胡颓子科18个类群的叶绿体全基因组序列的系统发育树中,胡颓子属、沙棘属和野牛果属各自聚为一支,前者先分化出来,沙棘属和野牛果属有最近共同祖先;从长单拷贝区（LSC）和短单拷贝区（SSC）筛选出3个DNA条形码候选区,其中ycf1基因的鉴定效果最佳,基于此构建的各类群系统发育关系与基于全基因组序列的结果一致。【结论】胡颓子科的叶绿体基因组结构保守,但其非编码区序列在各属间存在明显差异,且IR区序列与重复序列在演化过程中分别有扩张和增多的趋势。研究选定的DNA条形码序列能很好区分胡颓子科各属之间以及胡颓子属内物种间关系。     

皱边喉毛花及其近缘物种的叶绿体基因组结构与进化分析

为重建喉毛花属下系统发育关系,明晰属下皱边喉毛花及其近缘种之间的物种关系。本研究利用Illumina高通量测序平台对12 个叶绿体基因组进行双末端测序,获得大量高质量的Clean reads用于后续生物信息学分析。结果表明：（1）喉毛花属下物种的基因组差异较小,均在150 kb左右,基因总数为131 个,其中编码基因81 个。IR区核苷酸多态性比SC低,编码区比非编码区更保守。（2）进化分析结果显示,几乎所有的编码基因受到纯化选择的作用。（3）密码子偏好性分析表明有35 个密码子的RSCU值均大于1,说明使用这些密码子的频率较高,各项密码子偏好性衡量指标说明喉毛花属物种的密码子偏好性较弱。（4）系统发育分析表明CDS、密码子位置与基因间隔区数据集构建的系统发育树具有高度一致的拓扑结构,大部分分支的支持率高。这些结果表明皱边喉毛花及其近缘种的叶绿体基因组无明显差异,在系统发育树上无法按物种聚类,也为后续展开喉毛花属下群体遗传学研究提供科学依据。     

荷花玉兰叶绿体全基因组高通量测序及结构解析

荷花玉兰是重要的药用、观赏及园林绿化植物.应用454高通量测序技术对荷花玉兰叶绿体全基因组进行测序,解析了其基因组结构,并与近缘物种基因组进行了比较分析.荷花玉兰叶绿体基因组全长为159623bp,两个反向互补重复区(IRs)长26563bp,被分隔的大单拷贝区(LSC)和小单拷贝区(SSC)长度分别为87757和18740bp.成功注释129个叶绿体基因,其中18个基因含有内含子.基因的种类、数目以及GC含量等与其他木兰科物种相类似.生物信息学分析获得218个SSR位点,大多位点富含A-T,具有碱基偏好性.木兰科物种的重复基序类型和丰度相对保守,有利于开发叶绿体基因组载体.木兰亚纲植物叶绿体基因组的大小及IR区边界的变化与ycf1的长度密切相关.采用30个物种叶绿体基因组的66个共有蛋白编码基因构建系统发育树,对木兰属在被子植物中的进化位置进行了探讨.荷花玉兰叶绿体全基因组序列的获得和结构解析对优良品种培育、叶绿体基因组工程、木兰科物种分子标记开发及系统发育关系的研究具有重要价值.     

绞股蓝属植物系统进化研究进展述评

绞股蓝属植物为典型的热带亚洲分布类型,中国是绞股蓝属的现代分布中心和多样化中心。绞股蓝属植物多倍体的系统进化研究表明,该属内广布物种绞股蓝多倍体种群经历了同源多倍化起源的过程。同时,形态学结合分子生物学证据的研究解决了绞股蓝属部分物种间的系统发育关系。分子标记研究结果表明,绞股蓝属植物具有低水平的群体遗传多样性和高水平的种群分化。另外,分子亲缘地理学研究表明,绞股蓝属植物发生了冰期后的种群范围扩张事件,气候波动和环境变迁可能驱使了该属植物的物种分化。本文从以上几方面进行研究述评,以期为绞股蓝属植物资源利用、保护和评价提供科学依据和理论基础。     

丝兰属6种植物叶绿体基因组特征分析

为了理清丝兰属（Yucca）叶绿体基因组特征和序列变异情况,进行丝兰属植物叶绿体比较基因组学分析,并构建基于叶绿体基因组的系统发育树。利用高通量测序技术获得无刺龙舌兰（Y. treculeana）叶绿体基因组序列,结合丝兰属现已发表的叶绿体基因组,使用生物信息学方法对6种丝兰属植物叶绿体全基因组进行基本结构、重复序列、边界收缩与扩张以及序列变异分析等在内的比较基因组学研究,并进行系统发育分析。结果表明：6种丝兰属植物叶绿体基因组大小、基因的类型及数目相近,种间基因组结构比较保守;从丝兰属植物叶绿体基因组中检测到多条重复序列,其中SSR位点多是由单核苷酸、双核苷酸和四核苷酸组成,且偏好使用A、T碱基;根据核酸多态性指数π≥0.008,在6种丝兰属植物叶绿体基因组中筛选出了psbK-psbl-trnS-GCU、rpl20-rps12和ccsA-ndhD 3个高变异区域;基于叶绿体全基因组和LSC+SSC区序列构建的系统发育关系基本一致,确定了6种丝兰属植物间的系统发育关系,其中无刺龙舌兰与克雷塔罗丝兰（Y. queretaroensis）的亲缘关系最近。本研究测序获得了无刺龙舌兰叶绿体基因组,揭示了6种丝兰属植物叶绿体基因组特征和序列变异情况,明确了各物种间的亲缘关系,研究结果可为后续丝兰属植物分子标记开发及系统发育研究提供参考。     

线粒体假基因用作分子化石推算两个榕小蜂姐妹种的分化时间（英文）

线粒体假基因(nuclear mitochondrial pseudogenes, NUMTs)是指由生物体的线粒体基因组转移至核基因组内的DNA片段。由于其独立进化的特点, NUMTs在用于系统发育分析时是一把双刃剑。我们用基于PCR扩增的方法研究了对叶榕Ficus hispida上两姐妹种榕小蜂Philotrypesis pilosa和Philotrypesis sp.中起源于线粒体Nad1 12S片段的NUMTs。该两姐妹种榕小蜂由同域物种形成过程产生, 它们生活在同一生态环境里（即同一榕果内）, 因此可以用作很好的模型来研究在相同生态环境里物种的行为学及遗传学细微差异的进化。这些深入研究都依赖于对两个物种分化时间的正确估算。通过对所获取的NUMTs进行进化分析, 我们发现： 1）这些NUMTs都是最近引入核基因组事件; 2）NUMTs引入事件发生在物种分化之前。由于这些NUMTs引入核内时间尚短, 其碱基替换速率与线粒体基因相似, 而节肢动物线粒体基因的平均碱基替换速率约为2.3×10^-8 替换/位点·年。根据这些进化历史特征可帮助我们将这两个姐妹种榕小蜂的分化时间追溯至0.40-0.48百万年以前。结果提示, 一些线粒体假基因可以很好的用作分子化石来推断一些重要进化事件如物种形成。     

雷琼牛GH基因第五外显子遗传多样性及其分化

对16头雷琼牛GH基因第5外显子序列进行分析,发现了1个变异位点,定义了2种单倍型。引用巴州牦牛2个个体GH基因同源区序列并结合GenBank中牛属普通牛、其它瘤牛和牦牛3个种群与水牛1个远缘种GH基因同源区序列,分别采用邻接（NJ）法和最大简约（MP）法构建分子系统发育树,得到基本一致的拓扑结构,结果显示GH基因的分化早于雷琼牛（瘤牛）、其它瘤牛、普通牛、牦牛和水牛的分化,瘤牛物种内存在多型,同时证实了GH基因第5外显子区有着较高的突变率。     

基于叶绿体基因组数据的芸香科属间系统发育初步分析

为探究花椒属种水平系统进化关系以及为新品种培育研究奠定理论基础，该研究以芸香科物种的叶片为材料，采用改良CTAB法提取叶绿体DNA,利用BGISEQ-500平台进行叶绿体基因组测序，并对叶绿体基因组进行组装、注释，联合NCBI数据库数据，共获得芸香科19属49个物种的全叶绿体基因组序列。构建了芸香科属间系统进化关系。结果表明，(1)基于叶绿体基因组序列矩阵(总长196 641 bp),ML和BI 2种方法得到的系统发育树的拓扑结够基本一致，系统发育树各分支具有较强的支持率，叶绿体基因组数据可以解决芸香科属间的系统发育关系。(2)芸香科为单系类群，并进一步形成两大分支，其中柑橘亚科为单系，与芸香亚科内的芸香属聚为分支I,分支Ⅱ由芸香亚科和飞龙掌血亚科组成，两亚科均不是单系，其中飞龙掌血亚科的香肉果属，茵芋属与芸香亚科的白鲜属，臭常山属是最早分化出来的类群，其次是蜜茱萸属和山油柑属；黄檗属和吴茱萸属与花椒属类群形成姊妹群，飞龙掌血属的物种飞龙掌血嵌套于花椒属分支中，支持飞龙掌血物种并入花椒属的处理。     

系统发育分析指示细菌向Apicoplast的水平基因转移

顶复合器门的原生动物(Apicomplexan protozoa)含有一个高度退化的质体样(plastid-like)细胞器,定名为apicoplast。来自apicoplast的c／pC基因和它在其他质体和细菌中的同源物用来重建apicoplast的系统发育史。使用邻接法(Neighbor-Joining)、最小进化法(Minimum Evolution)、最大简约法(Maximum Pamimony)和最大似然法(Maximum Likelihood)建立进化树。此外为了避免由于序列之间相似的碱基组成而引起的虚假聚类,建立了基于LogDet距离的核苷酸NJ树;以及为了避免由于在核苷酸和氨基酸水平上的突变饱和而引起的长分枝吸引(Long Branch Attraction,LBA),建立了基于非饱和位点的核苷酸和氨基酸序列的系统发育树。重建结果强有力地支持apicoplast和细菌B．buigorferi之间的单系(monophyly)起源关系,也强化了apicoplasst属于混合基因组的假设,并且提供了对这个混合基因组起源的新的认识。     

基于叶绿体基因组解析半枫荷系统位置和进化

为明确国家二级保护植物半枫荷与近缘类群的系统发育关系,分析叶绿体基因的适应性进化。该研究利用22个物种的24条叶绿体基因组序列构建最大似然树和贝叶斯树,探讨半枫荷及其近缘类群的系统发育关系,并通过不同模型检测半枫荷与近缘类群的叶绿体编码基因的变异位点与选择压力间的关系。结果表明：(1)半枫荷叶绿体基因组具有133个基因,包括蛋白质编码基因88个(其中11个具有内含子)、tRNA基因37个、rRNA基因8个。(2)半枫荷及其近缘属蕈树属、枫香树属8个物种的叶绿体基因组在序列长度、基因数量及组成、GC含量等方面相对保守,反向重复区与小单拷贝区边界高度保守。小单拷贝区和大单拷贝区的变异程度较高,而反向重复区的变异程度较低。(3)半枫荷与蕈树属、枫香树属物种聚成蕈树科分支,并可划分为3个亚分支,亚分支间或物种间可能存在杂交或不完全谱系分选。(4)适应性进化结果显示,在不同模型下蕈树科分支的物种在ndhA等叶绿体基因受选择约束(纯化选择),位点模型也检测到10个基因的28个位点P大于0.99,这些编码基因变异可能与蕈树科植物适应性分化有关。该研究结果支持半枫荷隶属于蕈树科,蕈树科内物种的叶绿体基...