陕西
多倍化以基因组急剧变化为特征，会导致基因组高度动态的结构，引发生物学功能的重新编制，对物种演化有极大的基因组冲击（genome shock）。葫芦目，单性花真双子叶植物目，包括有许多重要的食用、药用和观赏性植物，具有极高的经济和园艺价值；葫芦目植物有超过2680种，128个属，是陆地上进化较为成功的植物类群。然而，对葫芦目植物多倍化历史及古基因组重整式样尚不明确。
近日，华北理工大学生命科学学院王金朋团队在Plant Physiology发表了题为 “A common whole-genome paleotetraploidization in Cucurbitales”的研究论文，揭示了葫芦目植物在一亿年前共有一个四倍体祖先；解析了葫芦目植物古基因组重整的式样。
该研究通过解析葫芦目植物中六个属的14个基因组的同源结构，揭示了先前发现的葫芦科共享的四倍化事件（Wang, et al. 2018. Molecular Biology and Evolution）也是葫芦目植物共有的多倍化事件（CCT）发生在约一亿年前（图1）；并且发现秋海棠科植物形成过程中经历了两次连续的古四倍化事件的有力证据，其中较近的一次四倍化事件（BCT）发生在约3800万年前，另一次古老的四倍化事件则是CCT。通过对多倍化产生子基因组间的基因保留、丢失水平的一致性进行比较，提出了秋海棠科植物共享的BCT事件为同源多倍化，而CCT和南瓜属基因组中的加倍（CST）事件是异源多倍化的假说；葫芦目中的异源多倍化事件可能更多的贡献了其庞大植物家庭的成功建立。
图1基因组同源结构比较揭示葫芦目植物多倍化历史。核心真双子叶植物共同六倍化事件（ECH），葫芦目植物共同四倍化事件（CCT），海棠科共同四倍化事件（BCT），以及南瓜属的特异性四倍化事件（CST）。
研究中构建了葫芦目植物共有加倍（CCT）事件前的祖先染色体核型（ACK-I），包含17条基本的染色体；同时还构建了葫芦目植物系统发育关键节点的祖先染色体核型（图2）。证实了团队之前提出的葫芦科植物最近的祖先核型（ACK-II）有15条基本的染色体（Xie, et al. 2019. Nature Communications），反对ACK-II有12条基本染色体的假说 (Wu, et al. 2017. Plant Journal)。研究还对现在代表性的葫芦目植物染色体重整轨迹进行了解析，鉴定了主要的染色体合并方式，其中以端粒对端粒的染色体合并为主要式样。这些研究结果为葫芦目植物的古基因组进化研究提供了新的理论和重要的参照。
图2 葫芦科植物祖先核型和染色体进化轨迹
该研究还揭示了葫芦素生物合成（cucurbitacin synthesis）途径在葫芦目植物进化过程中表现出了强烈可塑性（图3）。在葫芦目植物中，多倍化和基因的串联重复事件为葫芦素生物合成途径中基因家族扩张提供了机会，但基因丢失和染色体重排可能抑制了一些家族的扩张，并呈现出了同源拷贝数收缩的式样。另外，研究发现染色体重排可能导致多倍化产生的子基因组有偏的分馏，进而促进了基因结构的多样性。
图3葫芦素合成途径基因家族的进化
该研究为葫芦目植物基因组、进化生物生物学和相关的植物科学研究提供了重要资源和新见解，对葫芦目植物基因组及相关的研究具有重要科学意义。同时，为了方便利用本研究产生的相关比较基因组资源，团队还建立了一个在线平台来存储这些成果，并提供了用户友好的搜索功能。
华北理工大学生命科学学院硕士生王佳琪、袁敏副教授、硕士生冯一珊、张岩为论文共同第一作者，王金朋副教授为通讯作者。青年教师李育先和徐传远副教授为论文的高级作者。此外，该团队的多位老师和学生也参与了该项研究工作。本研究得到了国家自然科学基金、河北省自然科学基金项目的支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1093/plphys/kiac410
在线平台链接：
http://www.cgrpoee.top/Cucurbitales/index.html
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