水稻驯化性状祖先基因的起源与进化研究

Human beings began to domesticate wild rice about 8000-10,000 years ago, during which some morphological or physiological traits had been lost due to human beings’ selection. A series of domestication genes in rice have been cloned and the molecular mechanisms have been revealed. However, how these domestication genes originate and evolve is still unclear. Interestingly, our field observation data indicated that some ancestral phenotype of domestication traits (the phenotype of domestication traits in ancestor of rice Oryza rufipogon) originated possibly within Oryza, such as the occurrence of prostrate plant architecture or spreading panicles, etc, which we knew little about this process. We speculate that the origin and evolution of the ancestral phenotype of domestication traits is closely related to the origin and evolution of ancestral domestication genes (the homologous of domestication genes in wild rice Oryza rufipogon). The project will investigate the origin and evolution of ancestral phenotype of domestication traits within Oryza species through phenotyping 11 domestication traits in 10 sequenced Oryza species and 4 other Gramineae species. Combined the data of genomic, transcriptomic and the methodology of evolution genomics, the project will focus on the origin and evolution of 15 ancestral rice domestication genes. Relevance between the origin and evolution of ancestral phenotype of domestication traits and the origin and evolution of ancestral domestication genes in Oryza e will be aimed to establish. The project will also provide us some insights on the origin and evolution of phenotype of some important morphological and physiological traits in rice.

人类祖先约在8000-10,000年前驯化了野生稻,部分野生稻形态和生理性状表型发生了“从有到无”的改变，众多驯化性状相关的基因已经被克隆，相关的分子机制也被揭示。然而驯化性状相关基因的起源与进化我们却知之甚少。有意思的是，我们的田间观察数据暗示某些驯化性状的祖先表型（驯化性状在水稻祖先普通野生稻中的表型，如株型的匍匐、穗型的披散等）很有可能是在稻属内部起源的，而这个过程很可能与驯化性状祖先基因（驯化基因在普通野生稻中的同源基因）的起源与进化有关。本项目以水稻11个驯化性状为调查对象，对10个稻属物种、4个外群禾本科物种的驯化性状进行系统的表型调查，确定在稻属内部起源的驯化性状祖先表型；针对报道的15个驯化基因，系统研究驯化性状祖先基因的起源与进化，建立驯化性状祖先表型的起源、进化与驯化性状祖先基因的起源、进化之间的关联，并以此为切入点探究水稻重要形态或生理性状表型的起源与进化。

人类祖先在不同时间、不同地点驯化了一系列的动植物，由此拉开了农业革命的序幕。在8000-10,000年前驯化了野生稻，部分野生稻形态和生理性状表型发生了“从有到无”的改变，众多驯化性状相关的基因已经被克隆，相关的分子机制也被揭示。然而驯化性状相关基因的起源与进化我们却知之甚少。本项目通过系统调查驯化性状在稻属物种中的表型数据，整合目前已有的稻属基因组、转录组数据，使用进化基因组学研究方法，系统研究水稻驯化性状祖先基因的起源与进化，试图揭示水稻驯化性状祖先表型在稻属中的起源与进化历程，并以此为切入点探讨水稻重要形态和生理性状表型的起源与进化。在表型统计过程中，我们发现了一个有意思的株型变化，只有普通野生稻是匍匐株型，其他野生稻和禾本科外群物种为非匍匐株型，因此我们对该性状进行了深入研究。研究表明水稻驯化基因PROG1的开放阅读框 (ORF)在340万～390万年前(Mya)出现。随后，大约0.3～0.4 Mya，它在普通野生稻基因组中获得了一个新的蛋白质编码基因功能。这个极其年轻的基因及其近缘C2H2基因位于普通野生稻的匍匐结构附近，因此，对沼泽水域的野生水稻具有重要的适应意义。然而，在水稻密集种植和高产栽培的驯化过程中选择沉默了PROG1基因，并导致包含有功能的C2H2同源基因的RPAD位点缺失；因此，驯化株系表现出直立的植株结构。对PROG1的起源过程及其进化遗传学的分析表明，这种锌指编码基因可能在正向选择条件下迅速进化，促进了非匍匐生长或半匍匐生长向匍匐生长的转变。转基因实验结果表明，与其他水稻品种的PROG1序列相比，普通野生稻的PROG1序列发挥了更强的功能。然而，通过对不同水稻品种PROG1表达水平的分析表明，PROG1的转录调控在其进化过程中发挥了重要作用。该研究提供了第一个强有力的案例，展示了在基因位点驱动下，水稻物种的基本形态特征是如何进化的。