近日，Horticultural Plant Journal在线发表了华北理工大学王金朋团队题为“Allotetraploidization event ofCoptis chinensisshared by all Ranunculales/黄连的古异源四倍体事件被所有毛茛目植物共享”的研究论文。
【资料图】
黄连(Coptis chinensisFranch)始载于《神农本草经》，并被《局方》、《伤寒论》等数十个古代药方名录记载，是一种极为著名的中国传统药用植物；其根状茎为著名中药“黄连”，含小檗碱、黄连碱、苦参碱等多种生物碱，可用于治疗感染性和炎症性疾病，并用于预防和治疗心血管等多种疾病。最近，黄连基因组的破译为认识其基因组演化、特别是真双子叶植物早期进化历史提供了新的机会。
研究问题本研究重点解决的科学问题有：
（1）黄连的祖先多倍体形成是在什么时间？
（2）黄连为核心的真双子叶植物主要分支跨物种的、与多倍化和物种分歧关联的基因同源图谱是怎样的轮廓？
（3）黄连及真双子叶植物主要分支祖先多倍体基因组分馏模式是怎样？
（4）黄连及真双子叶植物早期进化过程中的生物碱合成相关基因（P450基因）扩张式样是怎样的？
研究结果（1）该研究通过比较黄连及真双子叶植物主要分支代表物种（耧斗菜Aquilegia coerulea、罂粟Papaver somniferum、水青树Tetracentron sinense和葡萄Vitis vinifera）基因组（图1），结合同源结构比较和基于共线性的系统发育组学方法，确定了黄连的一次古四倍体事件(RCT)毛茛目与其它真双子叶植物分歧之后的1.2-1.4亿年前，被所有毛茛目（Ranunculales）植物所共享。还证实了多个多倍化事件在真双子叶植物系统发育分枝上的位置，包括毛茛目中的罂粟有一次支系特异性的四倍体事件(PST)，水青树在昆栏树目分支上的两次古四倍体事件T-Alpha和T-Beta，核心真双子叶植物分支上的古六倍体事件Gamma。该研究确定了黄连的祖先多倍体形成时间，印证了真双子叶植物早期辐射性演化的特征。
（2）研究鉴定了黄连及相关物种中由多倍化和物种分歧产生的同源染色体区域，构建了以黄连为核心的真双子叶植物主要分支跨物种的基因同源图谱。图谱涉及黄连等5个物种，15个层级的基因同源信息（图2）。这一同源图谱为认识黄连及真双子叶植物早期古染色体重排、重要性状基因起源与进化提供了清晰的同源脉络。
（3）物种多倍化后恢复二倍体的过程中，古多倍体子基因组的分馏模式（genomic fractionation）直接影响着基因组多样性的遗传创新。研究发现，在黄连与其他毛茛目植物共享的古四倍体化事件具有异源多倍化的特征；并且罂粟祖先的PST、水青树祖先的T-Alpha和T-Beta、以及葡萄为代表的核心真双子叶植物祖先的Gamma事件都具有异源多倍化的基因组进化特征。这暗示，相较于同源多倍体事件，这些古老的异源多倍体事件可能为毛茛目乃至最大的被子植物类群（真双子叶植物）在地球上的成功建立提供了优势的基因组基础。
多倍化能够为物种新性状出现创制机会。研究发现，黄连古四倍体事件极大的促进了其生物碱合成相关基因（P450基因）的扩张，并且为基因近期的串联复制提供了原始基础；并且还发现，P450基因家族受反复多倍化的影响，在真双子叶植物主要分支上呈现了极为不同的重编制模式（图3）。
图1 基因组同源结构比较和基于共线性的系统发育组学分析
图2黄连为核心的真双子叶植物跨物种的多基因组同源图谱
图3黄连及代表真双子叶植物中P450基因家族演化模式
意义和创新性本研究确定了黄连古多倍化发生的时间，为认识真双子叶早期多倍化后物种进化提供了古基因组学基础；构建的黄连为核心的真双子叶植物跨物种的多基因组同源图谱，能为解析黄连及真双子叶植物早期重要性状起源和进化提供清晰的基因组同源脉络；对古多倍体子基因组分馏模式的发现，能为理解物种多样性形成及优势遗传提供新的理论；在多基因组水平上，揭示P450基因家族在黄连及真双子叶植物主要支系中的演化历史，对改良黄连及相关药用植物生物碱合成具有重要的基因组学指导意义。
END作者及团队介绍张岩、葛伟娜、滕佳、杨艳梅、汪建宇为该论文的第一作者，王金朋、张岚、潘玉欣为该文的通信作者。
基金介绍该研究获得国家自然科学基金、河北省自然科学基金、河北省教育委员会青年基金会等项目的资助。
论文链接https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2468014123000043
2020-2021年“HPJ文章合集”
期刊简介
HorticulturalPlantJournal是由中国园艺学会、中国农业科学院蔬菜花卉研究所、中国农业科学技术出版社有限公司主办的英文学术期刊。刊载关于园艺作物种质资源、遗传育种、栽培技术、生理生化、基因组学、生物技术、植物保护、采后处理与利用等原创性研究论文、研究简报及综述等。HPJ已被SCIE、Scopus、BA&BP、DOAJ、CABAbstracts、Food Science and Technology Abstract等国内外多个重要数据库收录，论文在SD网络出版平台实现全文开放获取和在线预出版。2021年最新影响因子4.240，园艺学科Q1区,植物学科Q1区。2022年中科院期刊分区（升级版）：在农林科学类位于1区，属于Top期刊；园艺学类位于1区，植物科学类位于2区。
长按二维码,
关注一下HPJ吧
