大豆重复基因进化及对非生物胁迫响应机制研究

基因组多倍化 (whole-genome duplication, polyploidy) 是生物界中的一个普遍现象，重复基因对 (gene pair) 的进化命运是生物进化的研究热点。阐明重复基因的进化历程及其在应对新环境中的响应机制对于生物体适应性研究具有重要意义。大豆基因组经历过两轮大的多倍化事件，由此产生了全基因组水平的基因重复。揭示大豆基因组重复基因对的分化机制及其序列结构上的变异以及与非生物胁迫适应性之间的内在联系，对于大豆基因组进化历程及其对非生物胁迫的适应性进化机制研究具有重要意义。本研究拟通过基因组学和转录组学的分析方法在全基因组水平上对大豆重复基因对的序列变化和转录水平进行系统分析，并通过对非生物胁迫下各基因对的表达差异进行比较、分析，阐明多基因交互作用适应环境变化的作用机制，从而揭示大豆基因对在基因组进化中的分化模式，为更好的开展大豆功能基因组研究奠定基础。

多倍化后重复基因对的功能分化是植物适应性进化的重要动力来源。针对大豆基因组的全基因组重复，我们对重复基因对的进化模式进行了研究。.我们的前期的研究发现大豆中重复基因对可能发生功能的分化，即分别控制不同的生物学过程（例如，控制生长习性的Dt1 及其同源基因，Tian et al. 2009 PNAS），最近研究发现其功能也可能是冗余的，例如，重复基因对D1和D2共同控制控制叶绿素的降解。该研究成果发表于Plant Journal (2014, 77: 700-712)。为了进一步研究重复基因对的功能分化，我们对PEBP家族的近30个成员进行了系统的功能分析，发现若干关键的氨基酸位点对他们的功能分化起到了决定性的作用，还发现表达模式的变化是功能分化的另一个重要因素（投稿中）。进而，我们利用转录组测序对大豆多个组织的重复基因表达模式和剪切模式变化进行了分析，发现重复基因表达模式的变化与他们之间非翻译区序列结构变化、所处基因组区域变异、转座子的插入等多种因素相关，而剪切模式的变化主要与基因的表达量、基因长度和外显子数目的变化有关（The Plant Cell 2014, 26: 996-1008）。我们还发现不同种类的转座子在大豆驯化中的变化模式不同，暗示它们可能受选择的强度不同（The Plant Cell 2012, 24: 4422-4436）。另外，我们利用小RNA组测序技术对小RNA的进化进行了分析，发现小RNA的活性变化与所处染色体区域的特性密切相关，并受到自身Loop长度变化以及两个stem之间的变异的影响。很多重复小RNA基因对的表达模式发生了变化（Plant J 2013, 76: 332-344）。但是关于小RNA基因对的表达模式的变化如何影响靶基因的进化还不清楚，目前，我们正在对小RNA基因对进化与靶基因进化之间的关系进行分析。同时，我们对干旱处理条件下不同品种的基因表达进行了分析，找到了一系列差异表达基因，目前正在对其剪切模式以及小RNA在其中的作用模式进行研究。此外，我们计划利用我们重测序的800个大豆种质资源对重复基因对在驯化过程中的变异规律进行系统研究。.目前，本项目已经在国际主流刊物发表SCI论文5篇，其中包括The Plant Cell 2篇，Plant Journal 2篇，Plant Genetic Resources 1篇。