基于基因演化和调控数据的小麦基因组解析

【作者】 陈永明； 郭译文； 胡兆荣； 辛明明； 姚颖垠； 倪中福； 孙其信； 郭伟龙； 彭惠茹；

【机构】 中国农业大学农学院；

【摘要】 【研究背景】普通小麦起源于两次异源多倍化事件,是中国乃至世界范围内最重要的粮食作物之一。庞大且复杂的基因组限制了小麦功能基因组学研究和遗传改良。随着小麦研究进入后基因组时代,如何整合利用海量组学数据解析复杂的小麦基因组是面临的新挑战。【材料与方法】本研究以小麦族物种的基因组、泛基因组、转录组、表观组和翻译组等数据为基础,开发适用于小麦族物种的创新分析算法、工具和平台对多倍体小麦基因组进行系统解析,结合分子生物学和遗传学等手段揭示小麦农艺性状基因的功能、演化和调控机制。【结果与分析】我们整合了物理调控、功能调控和进化保守的调控在内的七种互补性转录调控数据集,构建了小麦整合基因调控网络w GRN,搭建了用于功能基因发掘的交互式分析平台,利用w GRN预测了全基因组范围内基因的功能并辅助GWAS优先排序了旱胁迫相关的候选基因,解析了小麦穗部等复杂性状并发掘了新的功能基因。此外,为了研究基因的翻译调控,利用核糖体谱和多聚核糖体谱分析技术构建了首个小麦籽粒发育的翻译组图谱,揭示了产量和品质相关基因的翻译在不同阶段被特异地调控,且在小麦亚基因组间发生了翻译调控的分化,新鉴定了小麦籽粒中大量未知的ORF,发现u ORF作为翻译调控元件可以抑制甚至增强基因的翻译,基因翻译可能受到u ORF、d ORF和microRNA的共同调控。为了研究基因的演化,绘制了首个禾本科物种核基因组的细胞器来源基因(NOG)图谱,在泛基因组水平系统解析了禾本科物种进化过程中NOG的动态演化规律,发现小麦族物种在进化过程中逐步积累和保留了更多的NOG,揭示了NOG对塑造植物的种间和种内基因组遗传多样性的贡献。【结论】该研究开发了可解析复杂小麦基因组的工具和平台,实现了可持续整合大规模数据集的研究框架,揭示了重要农艺性状基因的演化规律和功能机制,为小麦的分子设计育种奠定了理论基础。更多还原