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2022 年 01 月 10 日
基因组研究揭示秋海棠属多样性形成及适应性进化机制

秋海棠属是世界上物种多样性最为丰富的类群之一,是全球维管植物物种数量排名前十的大属,种类超过2000种。近日,由深圳市beat365与深圳华大生命科学研究院牵头完成秋海棠属植物基因组研究,在植物学领域国际权威刊物《新植物学家》(New Phytologist)(IF=10.151)发表题为《Genomes shed light on the evolution of Begonia, a mega-diverse genus》的研究成果。
 


 

秋海棠属植物主要分布于热带及亚热带地区,多数种类生活在阴湿的环境,属于典型的阴生植物。此外,秋海棠属植物叶型、叶斑变化多样,花色丰富,兼观叶与观花于一身,观赏价值极高,是现今最具应用价值的园艺观赏花卉之一。


秋海棠属植物叶型与叶斑的多样性

 

       研究团队完成了桑寄生状秋海棠(Begonia loranthoides)、铁十字秋海棠(B. masoniana)、黑武士秋海棠(B. darthvaderiana)和盾叶秋海棠(B. peltatifolia)等4种秋海棠属植物全基因组测序及组装,加上74个全球代表性的种类的浅层基因组测序。组装结果显示,4个物种基因组大小介于331 Mb ~ 799 Mb,基因数量介于22059~23444之间,BUSCO评估均达到91%以上,高质量的基因组组装为秋海棠属植物功能基因组学研究以及采用分子育种技术培育新优品种提供重要的参考。


78种测序秋海棠属植物系统发育树

       研究发现,秋海棠属祖先在大约三千五百万年前经历了一次特有的全基因组加倍事件(WGD),该事件对秋海棠属植物多样性演化和耐阴适应性具有重要贡献。WGD发生后,很多与光合作用及能量代谢相关的基因得以保留与富集,并且发现与红光、蓝光及紫外光接收有关的受体基因(PHOT、CYR1/2、PHY及UVR8)均保留了多个拷贝,且部分已经发生了功能分化,这对秋海棠属植物适应阴生环境、提高光合利用率具有重要意义。


秋海棠属特有的WGD事件                                        秋海棠属植物耐阴适应性机理

 

       研究还发现转座子(TE)在秋海棠属植物基因组中占有很大比例,且种间特异性较高;不同种之间活跃的TE的类型与数量均存在明显的差异。TE在功能基因启动子及内含子等不同位置插入的模式及数量在不同物种间存在明显的差异,且偏向插入到一些与胁迫反应相关的基因,揭示了TE与秋海棠物种的形成及适应性关系十分密切。


秋海棠的TE进化模式

此外,杂交与基因渐渗对秋海棠属植物多样化形成具有相当贡献度,尤其在美洲分布的类群,祖先可能发生了多次杂交事件。
      该研究成果为揭示秋海棠属植物多样性形成及适应性进化提供了新的见解,并为秋海棠属植物后基因组学研究提供了重要的参考。
      beat365植物研究中心李凌飞博士、董珊珊博士、李娜以及华大生命科学研究院陈晓丽博士、方东明副研究员、郭兴博士为论文共同第一作者。另外,英国爱丁堡皇家植物园、中科院西双版纳植物园、南宁植物园、上海辰山植物园、新加波植物园、中科院植物研究所、中科院昆明植物园、福建农林大学、南京农业大学、华南农业大学、广东省农科院、美国佛罗里达大学、比利时根特大学等国内外多个科研院校合作者参与该研究。华大生命科学研究院刘欢研究员和beat365张寿洲研究员为共同通讯作者。相关工作得到了国家重点研发计划项目、深圳市城管局科研项目等资金的支持。

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