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國家植物園研究團隊在流蘇馬兜鈴三維基因組及復(fù)雜性狀進化機制研究方面取得新進展
流蘇馬兜鈴是繼無油樟之后，被發(fā)現(xiàn)的第二個自現(xiàn)存被子植物起源后未經(jīng)歷全基因組加倍的物種，基因組保存了高度的原始特征，是研究被子植物進化的關(guān)鍵參考物種。該物種生命周期短、易栽培和基因組小，被認為是被子植物早期類群中最具潛力的“模式植物候選”。此外，流蘇馬兜鈴擁有高度特化的花被片、特殊的花色和花香，并進化出了獨特的“誘捕-囚禁-釋放”傳粉系統(tǒng)。一個極簡化的基因組，如何演化出如此復(fù)雜的生命形態(tài)呢?
近日，國家植物園(南園)焦遠年研究團隊成功將流蘇馬兜鈴基因組提升至端粒到端粒(T2T)級別，獲得了完整的著絲粒序列，發(fā)現(xiàn)該物種擁有被子植物已知最短的著絲粒衛(wèi)星重復(fù)序列(僅34-bp)，且轉(zhuǎn)座子插入極少，同質(zhì)化程度高達95%(在26個受調(diào)查的被子植物中最高)。這一發(fā)現(xiàn)刷新了人們對被子植物著絲粒特征的認知。該研究還繪制了流蘇馬兜鈴的高分辨率染色質(zhì)空間圖譜，首次在木蘭類分支植物發(fā)現(xiàn)了高置信度的拓撲關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)域(TAD)，并在TAD邊界發(fā)現(xiàn)了一種高度富集的新型DNA基序，其密度與絕緣強度正相關(guān)。這些特征與缺乏明顯TAD的擬南芥形成鮮明對比，表明即使在小基因組中也能存在明顯的TAD結(jié)構(gòu)域。
為了深入理解流蘇馬兜鈴如何通過“極簡”的基因工具包實現(xiàn)高度特化的性狀創(chuàng)新，研究團隊結(jié)合ATAC-seq與高分辨率Hi-C互作數(shù)據(jù)，鑒定了全基因組水平的非冗余開放染色質(zhì)區(qū)域(ACRs)，并發(fā)現(xiàn)超過50%的ACRs通過染色質(zhì)環(huán)調(diào)控遠端目標基因。該結(jié)果暗示，時空特異的遠距離調(diào)控可能是極簡基因組演化出復(fù)雜性狀的“隱形推手”。
最后，以B類花器官身份決定基因APETALA3(AP3)為例，揭示了相關(guān)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)擴張促進花部形態(tài)創(chuàng)新的進化機制。通過對擬南芥、耬斗菜和流蘇馬兜鈴AP3下游調(diào)控基因集的比較分析，發(fā)現(xiàn)流蘇馬兜鈴AfAP3調(diào)控的靶基因數(shù)量顯著提高，涉及花青素、類胡蘿卜素及氣味相關(guān)的萜烯合酶等通路。這些結(jié)果表明，流蘇馬兜鈴基因雖少，但其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)卻更加復(fù)雜，三維基因組和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的重塑可能是其“以簡馭繁”的進化策略。
相關(guān)研究于2月27日在線發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊Genome Biology上。國家植物園(南園)特別研究助理李鹍鵬為該論文的第一作者，焦遠年研究員為通訊作者。北京大學(xué)周岳教授參與了該項工作。該研究得到了國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會、博士后創(chuàng)新人才支持計劃等項目的資助。
流蘇馬兜鈴著絲粒、三維基因組及調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的進化模式
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