水稻基因组进化的研究进展.doc

水稻基因组进化的研究进展 水稻是世界上重要的粮食作物之一，养活着全世界近一半的人口。同时南于水稻基冈组较小、易于转化及与其他禾本科植物基因组的同线性和共线性等特点，一直被作为禾本科植物基因组研究的模式作物。水稻是第一个被全基因组测序的作物，目前栽培稻2个亚种全基因组测序工作已经完成：粳稻品种日本晴(Nipponbare)通过全基因组鸟枪法和逐步克隆法被测序，籼稻品种扬稻6号(9311)通过全基因组鸟枪法被测序。除核基因组外，水稻叶绿体和线粒体基因组也于1989年和2002年分别被测序。水稻2个亚种的全基因组测序完成，一方面开启了植物比较基因组学的大门，另一方面为人们在基冈组水平上鉴定出所有水稻基因并分析其功能奠定了基础，同时也使得人们对植物进化的认识，尤其是对禾本科植物进化的了解，逐步从系统分类和分子标记水平进入到了基因组序列水平。许多研究者通过对水稻基因组序列的分析，利用生物信息学工具，对水稻在基因组水平上的进化进行了大量研究。1 水稻及其他禾本科植物基因组的古多倍体化过程 水稻是典型的二倍体植物，其核基因组中共有12条染色体。在水稻基因组被完整测序之前，人们就已经采用分子标记、DNA重复元件等方法探究水稻基因组的古多倍体化(polyploidization)过程，并发现了一些重复的染色体片段。随着水稻基因组测序计划的完成，越来越多的证据表明水稻基因组曾发生过全基因组复制(whole genome duplication)，即古多倍体化过程。 Golf等利用鸟枪法完成了粳稻品种日本晴全基因组的测序工作，并利用同义替换率分布方法(Ks- based age distribution)提出水稻基因组可能发生过一次全基因组复制过程。此后多家研究机构和一些研究者对水稻基因组中的重复片段进行了研究，虽然得出的结论不尽相同，但均发现水稻基因组中存在大量的重复片段。根据所采用方法和参数的不同，这些重复片段占整个水稻基因组的1562。Yu等在水稻基因组中发现了18对大的重复片段，大约占整个基因组的657。其中17对重复片段形成的时间很相近，发生在禾本科物种分化之前；最近的一次片段复制事件发生在水稻11和12号染色体之间，在禾本科物种分化之后。 水稻基因组被测序之后，许多科研机构对基因组数据进行了详尽的注释。其中应用比较广泛的是美国基因组研究院(the institute for genome research，TIGR)和日本农业生物科学研究所(national in- stitute of agrobiological sciences，NIAS)的水稻基因组注释信息。TIGR根据其注释的结果和基因相似性矩阵(gene homology matrix，GHM)方法，检测到大量染色体间的重复片段，这些重复片段几乎覆盖了整个水稻基因组。TIGR水稻基因组注释数据库从第4版开始便增加了对片段重复的注释，该分析是利用 DAGChainer程序进行的，重复片段采用100 kb和500 kb 2种参数模型进行了染色体片段的基因共线性分析(图1)，这是全基因组复制的有力证据。根据复制片段上同源基因的分子进化分析，估计全基因组复制发生在大约7 000万年前，在禾本科物种分化之前。此外，Zhang等利用TIGR更新的数据进行分析，采用同义替换率分布方法检测到另一次更古老的(单、双子叶植物分化前)基因组复制事件，说明水稻基因组至少经历了2次全基因组复制过程。 全基因组复制或多倍体化是植物尤其是禾本科作物物种形成和进化过程中非常重要的事件，大部分开花植物在进化过程中均经历了多倍体化过程。基因组加倍后，再经历所谓的二倍体化过程(diploidization)，进化成当代的二倍体物种，并造成大量重复片段中基因的重排和丢失。Salse等研究发现基因组复制事件对禾本科植物的物种形成和演变具有重要作用。他们认为禾本科植物的祖先物种是一个基因组内包含5条染色体的物种，在进化过程中，首先在距今5 0007 000万年前经基因组复制产生了10条染色体；此后，在基因组内发生了2次染色体置换和融合而形成了12条中间态染色体。以这12条中间态染色体为基础，逐渐分化出水稻、小麦、玉米和高粱的基因组，其中水稻基因组保留了原有的12条中间态染色体，而小麦、玉米和高粱均又发生了染色体丢失和融合才形成了现有的基因组。水稻全基因组复制片段是至今为止在动、植物基因组中发现的最为清晰、完整的基因组复制的遗迹。水稻之所以保存这么完整，一方面是水稻基因组保持了12条中间态染色体的基本形态，另一方面可能与水稻基因组相对较稳定有关。 2水稻籼粳2个亚种的分化 水稻是世界上最重要的粮食作物之一，在其11 500多年的栽培历史中，因适应不同的农业生态环境而产生了丰富的遗传多样性和明显的遗传分化。长期以来，基于形态性状、同工酶以及对一些化合物不同反应的研究，把亚洲栽培稻(Oryza sativa L)分为籼稻(indica)和粳稻(japonica)2个亚种。其中籼亚种耐湿耐热，主要适应于热带和亚热带等低纬度地区，而粳亚种则耐寒耐弱光，适应于高纬度和高海拔地区种植。这2个亚种间不仅产生了生殖隔离的基因库，还在形态特征、农艺性状和生理生化反应等方面存在明显的差异。近期群体遗传结构的分析进一步显示籼、粳亚种中还可以细分成少数几个亚群。随着水稻细胞器与核基因组测序计划的完成，人们可以通过序列比对、逆转录转座元件多态性分析以及核基因组中叶绿体 DNA插入时间的估计来研究籼粳亚种的差异、追踪亚种的起源以及推断2个亚种的分化时间。 在水稻基因组序列释放以后，人们通过分析籼粳2个亚种间的单核苷酸多态序列(single nucleotide pol- ymorphisms，SNPs)和插入缺失差异片段(insertiondeletions，InDels)来挖掘籼稻或粳稻特有的分子标记，显著提高了水稻的遗传分化研究的精确度和可信度。Shen等通过生物信息学方法比较了日本晴和扬稻6号的全基因组序列的差异，构建了一个日本晴和扬稻6号全基因组DNA序列多态性数据库，该数据库包含了1 703 176个SNPs和479 406个InDels。由于日本晴和扬稻6号代表了典型的粳稻和籼稻，因而两者基因组序列上的InDel片段差异可能反映了籼稻和粳稻这2种生态型基因组序列差异。除水稻2个亚种的基因组被测序外，水稻的叶绿体和线粒体基因组也已经被测序。Tang和Tian等分别在对籼稻品种扬稻6号和粳稻品种培矮64S(PA64S)的叶绿体和线粒体基因组进行测序的基础上，对2种细胞器基因组序列亚种间的差异进行了比较，发现水稻叶绿体亚种间差异位点上存在72个SNPs和27个InDels，而线粒体基因组之间则存在96个SNPs、25个InDels以及3个片段序列变异。以上研究的结果总结于表1。由表1可知，叶绿体和线粒体基因组亚种间多态率远低于核基因组，而线粒体又较叶绿体低。这种多态率的差异可能反映了核、叶绿体和线粒体DNA进化速率上的差异。 遗传学和考古学的研究虽然已为玉米(Zeamays sspmays)及小麦(Triticum aestivum L)的驯化、传播提供了较为全面的说明，但相比之下，水稻的驯化过程在很多方面还存在争议。比如，亚洲栽培稻是一次起源还是两(多)次起源、野生祖先是普通野生稻(Oryza rufipogon)还是尼瓦拉野生稻(Oryza nivara)以及驯化地点等等。目前，关于栽培稻籼粳亚种起源的假说主要有2种，即一源论和二(多)源论，其中又以二(多)源论占据主要地位。一源论认为亚洲栽培稻只起源了一次，而粳稻是从籼稻中分化而来的高海拔和高纬度的适应类型。这一观点得到部分研究的支持。蔡星星等采用45对InDel引物对来自亚洲10个国家的49份籼稻、43份粳稻品种和24份野生稻进行了检验，发现籼稻与粳稻存在明显的遗传分化，含AA基因组的野生稻与籼稻品种存在较近的亲缘关系，从而较好地支持了籼稻是由含AA基因组的野生稻直接驯化而来，而粳稻由籼稻分化而来的假说。另一方面，也有研究者认为籼粳亚种的分化在它们驯化之前的野生祖先中就已经完成，随后，籼型的野生祖先驯化为籼稻，粳型的野生祖先则驯化为粳稻，二者独立起源，即二(多)源论。近年来基于多个座位DNA序列的核苷酸多态性及系统发生分析越来越明显地支持二(多)源论假说。这些研究发现，籼粳亚种属于独立的进化分枝，而籼稻的遗传多样性比粳稻高且与野生祖先亲缘关系更为接近的原因可能是由于较大的建立群体(founding population)和较小的瓶颈效应等缘故。 关于籼粳亚种分化时间的推断，人们最初利用2个亚种基因组序列的差异来进行。Bennetzen等对2个亚种的29 kh同源片段进行了分析，认为这2个亚种是距今100万年前开始分化的，但该研究未给出这一估计的详细信息。Ma等以非洲栽培稻(Oryza glaberrima)的核DNA作为参照，通过对籼稻和粳稻超过1 Mb的基因组DNA序列变异的分析，推断籼粳亚种的分化发生在大约44万年前。Zhu等对A基因组的稻属物种中4个核基因的内含子进行了系统发生分析，并通过分子钟方法估计2个亚种的分化时间大约在40万年前，与Ma等结果非常接近。此外，植物基因组中普遍存在的逆转录转座子(retrotransposon)也已广泛应用于籼粳亚种分化的研究中。逆转录转座子是一类通过RNA反转录进行转座的可移动遗传元件，根据其末端长末端重复序列(10ng terminal repeat，LTR)的有无又可分为LTR逆转录转座子和non- LTR逆转录转座子2类。通过比较籼粳亚种基因组同源区域特定逆转录转座元件的有无，可以区分出亚种间共同的插入事件(发生在亚种分化前)和亚种特异的插入事件(发生在亚种分化之后)。进一步通过对这2类插入事件中逆转录转座子5和3端LTRs分化率的计算可以推断出插入的时间，从而了解亚种的分化时间。Vitte等比较了110个逆转录转座元件在籼粳亚种基因组间的差异，发现有82个在籼稻基因组中不存在。结合LTRs分化率的计算，估计这2个亚种是在大约20万年前分开的。根据以上研究结果，利用核基因组序列推断的籼粳亚种的分化时间在大约2040万年前。这一时间远早于水稻被驯化的时间(大约1万年前)，说明籼粳分化在驯化前的野生祖先中早已完成，很好地支持了籼粳亚种起源的二(多)源假说。除核基因组外，细胞器基因组也已广泛用于籼粳亚种分化时间的估计。Tang和Tian等分别利用叶绿体和线粒体基因组在籼粳2个亚种之间SNPs的频率，估计出2个亚种叶绿体基因组分化的时间在大约8620万年前，而线粒体基因组分化的时间在4525万年前。此外，由于植物中常见细胞器 DNA向核中转移，通过2个亚种核基因组中叶绿体插入事件的分析也可以推断亚种的分化时间。Guo等44j利用粳稻日本晴中8个叶绿体插入片段及其侧翼的核序列在籼稻基因组中进行搜索，找到了6个直系同源片段，代表了亚种分化以前的共同插入事件，而另外2个在籼稻基因组中不存在，代表了亚种分化以后发生在粳稻中的特异插入事件。进一步对核基因组中这些插入片段和叶绿体基因组中对应片段平均同义替代数(dr)进行计算，推断2个亚种的分化时间大约在622万年前。3水稻驯化相关基因的进化研究 古人类从大约1万年前开始种植原始作物，他们从当地的野生祖先中连续选择优良的个体，并且学会了贮藏谷物。这就是达尔文所提出的驯化过程。作为人工选择下的快速进化，驯化一直被认为是开展进化研究的模型。驯化相关基因的克隆使人们得以揭开驯化性状变化的分子基础，而且对不同种质的驯化基因进行研究能够回答一种作物在哪里、从什么物种以及被驯化多少次的问题。 由于包含的物种数多、遗传研究时间长以及较为深入的驯化和系统发生分析，稻属(Oryza)植物已经成为研究基因功能、基因组进化、驯化以及多倍体性的理想模式系统。目前利用水稻基因组信息以及广泛的数量性状基因座(quantitative trait locus，QTL)分析，在水稻上已经克隆了很多驯化相关基因，同时其功能核苷酸多态性(functional nucleotide ploymorphisms，FNPs)，即与农艺性状自然变异有关的DNA变异也已经得到了鉴定(表2)。其中最重要的是2个与落粒性状相关的基因sh4和qSHl48j。sh4是一个编码Myb3转录因子的QTL，由于第一个外显子中的单核苷酸替代产生了控制籽粒脱落的FNP。突变的等位基因导致籽粒和花梗之间的离层不能完全形成，从而减轻籽粒的脱落。sh4在所有的栽培种中都有相同的FNP，因而可能来自同一次驯化事件；相比之下，粳稻的籽粒较籼稻难脱落，而qSHl正是控制这种籼粳亚种落粒性差异的QTL。qSHl编码一个BELl型同源异型框基因，其5调控区的一个单核苷酸多态性导致粳稻中籽粒和花梗之间的离层完全不能形成，从而丧失落粒性。sh4的单一起源可能意味着栽培稻只起源了一次，似乎不符合普遍接受的籼粳亚种起源的二(多)源论。目前已有相关模型对此作出解释，认为基因的渗透现象使这类基因在栽培种中被广泛固定。 除落粒性状之外，还有多个与水稻驯化相关的基因被克隆，包括控制种皮颜色的Rc基因、控制胚乳中直链淀粉含量的Waxy基因、控制籽粒灌浆和产量的GIFl基因以及控制分蘖角的PROGl基因等。Rc基因在其第6个外显子中有大约14 bp的缺失使其失去了生物合成花青素的功能，从而使稻米显示为白色。除Rc之外，还有另一个基因Rd参与原花色素的形成，从而也控制水稻种子的果皮颜色。 waxy基因在第一个内含子5端剪切位点的一个SNP影响到编码直链淀粉酶的功能，从而降低了胚乳中的直链淀粉含量，提高了蒸煮后的米粒黏度。由于rc、waxy等位基因存在不同品种之间的差异，而且种子颜色和口感很可能只是一种带有文化差异或者偏好性的选择目标，因而有人提出此类基因可能不是控制典型驯化性状的基因。 水稻的产量性状是由包括籽粒数和粒重在内的多个组分共同构成的，并且受到大量数量性状基因座的控制。Wang等利用渐渗系(introgression lines)分离和鉴定了一个控制籽粒灌浆的QTL GIFl。该基因编码一个细胞壁转化酶，在籽粒灌浆过程的早期参与碳的分配。由于驯化过程中启动子区域变异的积累，限制了该基因在灌浆过程中在胚珠维管束中表达，从而有利于籽粒充实进而提高产量。此外，作物株型也与产量密切相关，对于具有理想分蘖数和分蘖角的植株的选择被认为是水稻驯化过程中最关键的事件之一。 Tan和Jin等分别用不同材料克隆了控制水稻分蘖角的QTLPR(X；1，该基因编码一个新的锌指转录因子，而且对于分蘖数、分蘖角、籽粒数以及最终的产量表现出一因多效。在水稻驯化过程中对隐性的progl基因的人工选择导致了水稻从匍匐生长到直立生长。此类等位基因如sh4、gif1、progl等在栽培种中被广泛固定，因而它们是区分栽培和野生种的关键基因。 随着驯化相关基因的克隆及其相应的FNP信息的积累，人们可以对广泛分布的地方品种功能核苷酸的基因型进行鉴定，再结合基因组范围内的RFLP分析以及地方品种生物地理起源的信息，来推断作物起源过程中的历史事件以及作物驯化的地点，最终了解整个驯化的过程。Konishi等利用该方法对5个驯化相关基因qSW5、Rc、Wx、Rd(Rdl、Rd2)以及qSHl的6个FNPs在91个不同的粳稻地方品种中进行分析，认为粳稻起源于印度尼西亚、菲律宾等东南亚的岛国并提出了一个关于粳稻驯化的模型。这一结果与利用考古学证据得出的粳稻起源于中国的长江流域的结论不相符合。是由于进行此类分析时搜集的地方品种有效性不够、数量有限而导致了不正确的结论，还是粳稻确实起源于东南亚的岛国，目前尚不能准确回答这一问题，需要更多的考古证据以及对更多驯化基因的FNPs进行更深入的研究。 由于与驯化相关的性状大部分为数量性状，所以对这些性状的研究往往从利用杂交群体进行QTL作图开始，然后按照图位克隆和候选基因的方式克隆主效QTL，再结合克隆的序列来查找适应性进化的信息，即图2A所示的第一种研究方式(Top-Down)。通过Top-Down方法，人们已经逐步认识到水稻一些重要农艺性状的来源及其控制这些性状基因的分子演化规律。然而作物的驯化是一个非常系统的工程，涉及的性状也非常多，仅仅通过 Top-Down的方法人们很难认识到基因组上分子进化的规律。尽管人们都明白作物驯化对人类社会的发展起到了重要作用，可是人们对作物在驯化过程中表现出的适府性的遗传基础还了解很少。随着栽培稻2个亚种基因组测序计划的完成，人们已经能够在基因组水平上鉴定出所有的基因，这使得通过Bottom-Up方法(图2B)研究水稻基因驯化成为可能。该方法首先在基因组水平上鉴定出所有具有适应性进化的基因，然后通过对候选基因的序列分析和功能鉴定，了解适应性进化与表型的关系。Yu等对水稻品种明恢63和农垦58的水稻光敏核不育位点Prosl进行测序，并将这两亲本的基因组序列与日本晴和扬稻6号的序列进行比较分析，发现该区段的4个亲本在序列组成上存在巨大差异，表明在自然和人工选择的共同作用下，Pmsl区段正处于快速的基因组进化过程中。在玉米上，Yamasaki等对基因组中随机选择的1 095个基因在14个自交系中进行了测序，并且选择了零序列多样性的35个基因作为潜在的人工选择基因。随后在不同的玉米地方品种和类蜀黍中对这35个基因进行测序，最终鉴定了8个候选的驯化基因。这是利用Bottom-Up方法在基因功能和表型都未知的情况下鉴定出潜在的控制重要农艺性状的基因重要例证。 4 物种特异性扩张在水稻基因家族进化中的作用由一个共同的祖先基因经过重复和变异产生的、其外显子相关的一组基因称为基因家族(gene fami- ly)。基因家族的成员可以彼此形成基因簇或分布于不同的染色体上，其功能相似且核苷酸序列具有同源性，比如植物的蛋白酶抑制剂基因家族等。随着水稻2个亚种基因组测序计划的完成，使得人们能够从基因组水平上鉴定出水稻某一特定基因家族的全部基因，这为在基凶组水平上研究基因家族的进化奠定了基础。由于在水稻的基因组分析之前，双子叶模式植物拟南芥的全基因组已经被测序并进行了深入的注释，所以对水稻基因家族进化分析中往往伴随着同拟南芥和其他植物基因组中基因的比较。这样不仅可对单、双子叶模式植物的基因家族序列进行比较分析，还可以通过生物信息学方法分析在单、双子叶植物分化之后基因家族的扩张。结果表明，虽然在进化过程中存在基因家族成员丢失的现象，但是大部分基因家族在单子叶与双子叶植物分化后按照物种特异性的方式进行了扩张。就水稻的基因家族而言，其扩张的方式主要有3种，即：片段复制、串联重复和逆转录转座或其他转座事件。41 片段复制由于大部分植物物种均经历了多倍体化过程，因而片段复制(segmental duplication)在基因重复的3种机制中是最为重要也是最为普遍的一种方式。全基因组复制是一种大规模的染色体倍增过程。它的产生可能是因为基因组染色体缺乏一次有效的减数分裂，因此，重复区域通常表现为一大片段区域中所有基因的重复，而不是单个或少数几个基因的重复。因为基因组发生了复制，原基因的拷贝数均增加了一倍，它为新基因的产生提供了原始的物质基础，从而为表型的巨大差异提供了物质前提。本课题组对Tubby-like和CPP- like基因家族的物种特异性扩张的研究表明，片段复制在物种特异性扩张中起到决定性作用。42 串联重复串联重复(tandem repeat)是由非同源位点的重组即不等交换(unequal crossing over)形成的，这种方式形成的重复基因在染色体上的位置非常接近。根据重组位点的不同，重组的区域可能包含一个完整的基因、基因的一部分或者比原基因更长的一段区域。串联重复基因容易发生基因转换，从而使序列的同源性增强。串联重复在进化中的作用是平衡基因家族的数量、维持基因家族的功能。这种现象在水稻基因组中普遍存在。Yu等发现在水稻的2号和6号染色体上分别存在311对和957对串联重复。Kong等对被子植物的SKPl基因家族的进化分析表明，该基因家族在单、双子叶植物分离之后快速进行了扩张，而扩张的方式在水稻和拟南芥中均主要为串联重复。此外一些研究表明，片段复制和串联重复对基因家族的扩张均起到非常重要的作用，如植物的ERF基因家族E843和拟南芥中的RLKPELL基因家族，但水稻中 RLKPELL基因家族的扩张则主要是串联重复。43逆转录转座 逆转录转座(retrotransposition)是指将已经转录和剪切的mRNA，经历了逆转录(reverse-transcribe)过程之后，形成的cDNA随机插入到染色体的某一新的位置并形成新的重复基因的过程。从其产生的生物学过程我们可以知道逆转录转座形成的重复基因往往具有以下几个特征：缺少内含子、含有ployA序列及短的侧翼重复序列。经过逆转录转座形成的新基因往往由于缺少必要的调控序列而形成不表达的假基因。但是如果这类基因获得了新的调控序列，也可以表达并形成新的具有功能的基因。Wang等对水稻基因组中的基因进行系统分析发现有1 235个基因是经过逆转录转座形成的基因，通过替换率分析发现大部分是经历了净化选择(purifying selection)的作用，并且这些基因中大部分是功能基因。除了上述3种主要的基因复制模式之外，来自于其他物种的基因通过水平基因转移对基因重复也起到重要的作用。基因复制对基因家族的进化具有重要意义，这主要是因为基因复制可以为新基因的产生提供最原始的材料，而新基因的产生又可以促使其产生新的功能。基因重复之后形成的旁系同源基因，大约只有12 N(N为物种的有效全体数目)比率在二倍体生物中被固定，其余的基因均被随机漂变。针对基因家族成员在基因重复之后经历的功能分化，人们首先是在基因序列上考虑并提出了多种假说。重复基因经过选择作用后，根据功能分化的不同可以分为4种模式：亚功能化(subfunctionalization)、假基因化(pseud-ogenization)、新功能化(neofunctionalization)和亚新功能化(subneofunctionalization)。由于亚功能化、新功能化和亚新功能化的影响，重复的基因往往在功能方面表现出差异。Johnson等对水稻单糖转运体基因家族中重复基因的分析表明：亚功能化、新功能化和亚新功能化均对该基因家族中重复基因的固定起作用。本课题组通过组织特异性表达分析对水稻Tubby-like基因家族进行研究发现该基因家族中重复基因往往具有不同的组织特异性表达模式，表明它们在基因组中能够固定下来主要得益于新功能化和亚新功能化。5 展望51 禾本科作物基因组的共线性与比较基因组学研究 由于大部分禾本科植物基因组均来自于由5条祖先物种染色体加倍形成的12条中间态染色体，其基因组内所含基因及基因的顺序是高度保守的。这种基因组的共线性最初通过利用RFLP标记对小麦、大麦、高粱、玉米等基因组的比较分析得到了验证。此外通过对禾本科植物的sh2、adhl、umc90、rpl、zlCl、lg2和lrsl等基因在基因组上位置的比较，也发现它们在禾本科植物基因组中的顺序是一致的。随着水稻基因组测序计划的完成，人们利用水稻基因组对多种禾本科作物开展了比较研究，但是这种基于标记研究所得出的共线性结论依旧显得比较粗放。 在水稻基因组测序计划完成近4年之后，高粱(Sorghum bicolor L)成为被完全测序的第2个禾本科作物，使我们可以直接在序列水平上证实禾本科基因组的共线性。高梁、水稻的分化发生在禾本科祖先基因组复制以后2 000万年或更久的时间，大约94的高粱基因(2 5875)在水稻、拟南芥及杨树中有直系同源基因，其中又有77的基因(19 929)与水稻表现出成批的共线性。由于禾本科植物基因组几乎在同一时间由共同祖先分化而来，因此水稻和高粱的共线性模式对于其他禾本科植物将很有借鉴意义。尽管水稻与其他禾本科作物基因组的共线性得到了证实，可是基因组的共线性并不能完全反映直系同源基因在结构和序列上的相似程度，因而DNA水平甚至是基因水平上的微共线性受到了越来越多的重视。 Lu等在对14个稻属基因组MOCl基因直系同源区域的序列比较分析中，发现MOCl区域基因含量、基因顺序以及转录方向均是高度保守的，但是也有2个包含3基因的片段例外，而且基因间区域由于转座元件的插入或删除也是高度可变的。此外，Chen等对水稻、玉米和高粱基因组中al-sh2基因区段的序列分析发现在这3个物种中均含有n1和sh2这2个基因，且转录方向相同，但在基因组区段也表现出一定的差异，如在高粱和水稻中，这2个基因之间有19 kh的片段，而在玉米中则是140 kh。3个物种在该区段序列的高度同源性也仅仅表现在外显子序列，内含子序列则表现出较大差异。随着玉米等更多禾本科植物基因组测序计划的完成，再加上近年来水稻功能基因组学积累的丰富遗传信息，更多的类似于al-sh2基因区段的微共线性分析将得以开展，水稻作为基因组学研究模式作物的地位将进一步提高。52水稻驯化的基因组基础与分子设计育种 由于现代水稻品种具有相同或相似的遗传来源，造成栽培稻遗传背景日益狭窄、基因流失和生物多样性严重下降的瓶颈效应。实践证明，野生稻在漫长的进化过程中，由于复杂的地理环境和各种生态因素的作用，形成了极其丰富的遗传多样性，分子生物学对遗传多样性的研究也证明了这一点。通过有计划的考察、收集、筛选和鉴定，已从野生稻中发掘出了抗病、抗虫、耐冷、耐热、雄性不育及其他许多优异基因，由于这些基因与产量性状关系密切，野生稻资源的研究正日益受到重视，并成为水稻育种家和遗传学家改良水稻种质、培育水稻新品种最重要的种质资源之一。 通过Top-Down方法，人们已经鉴定了一些控制重要农艺性状的基因，并对其分子演化规律进行了深入研究。然而作物的驯化是一个系统工程，仅仅通过Top-Down的方法很难认识到基因组上分子进化的规律。这需要我们在基因组水平上进一步通过Bottom-Up的方法鉴定出水稻基因组中快速进化的基因，并结合功能分析鉴定这些基因在栽培稻和野生稻中的功能差异，为在基因组水平上正确理解水稻驯化过程的分子基础并进而利用野生稻资源进行水稻分子设计育种奠定基础。高清松，杨泽峰，徐辰武(扬州大学江苏省作物遗传生理重点实验室，教育部植物功能基因组学重点实验室江苏扬州225009)扬州大学学报2009.2 裴红罗采集；江洪涛编辑审核；程彬彬加工上传。 主要成绩1. 花的进化发育遗传学 1）从十余种基部被子植物和基部真双子叶植物中分离得到了一百多个与花部器官发生和发育有关的MADS-box基因，分析了这些基因的序列结构，并对部分基因的表达模式、功能和在蛋白质水平上的相互作用进行了研究，发现基部被子植物和基部真双子叶植物中的基因比它们在核心真双子叶植物中的同源基因有更广的表达和功能范围，并结合形态学资料探讨了花部结构起源和早期分化的分子机理（The Plant Journal 2005, 43: 724-744; Development Genes and Evolution 2005, 215: 437-449; Development Genes and Evolution 2006, 216: 785-795）。 2）在对SEP类MADS-box基因的研究中，发现了几次分别与被子植物、核心真双子叶植物和禾本科植物起源有关的基因重复事件，鉴定和命名了两个结构上比较保守的蛋白质基元（即SEP1基元和SEP2基元），揭示了重复基因在序列结构、表达模式和功能上的异同，提出和确认了“被子植物、核心真双子叶植物和禾本科植物的起源可能与A、B、C和E类MADS-box基因的重复、结构改变和协同进化有关”的论点（Genetics 2005, 169: 2209-2223）。 3）在对AP1类MADS-box基因的研究中，从基部真双子叶植物中发现了一个能够通过可变剪接（alternative splicing）产生两种类型蛋白质的基因，澄清和纠正了前人在系统发育分析中的错误，命名了一个结构上比较保守的蛋白质基元（即FUL基元），并系统地总结和描述了该类基因在序列结构、表达模式和功能上的进化规律，提出了“基部被子植物和基部真双子叶植物中FUL型的AP1类MADS-box基因可能并不决定花被形成”的论点，探讨了可变剪接在基因结构和功能分化中的重要意义（Molecular Phylogenetics and Evolution 2007, 44: 26-41）。 4）深入研究了水稻中AP1、AP3、PI、AG、AGL11、AGL2和AGL9等七类MADS-box基因的进化历史，揭示了一些与基因组加倍和禾本科起源有关的基因重复事件，并发现内含子序列的外显子化（exonization）和外显子序列的假外显子化（pseudoexonization）是重复基因在编码区发生结构分化的基本式样（Journal of Integrative Plant Biology 2007, 49: 760-768）。 目前正在开展基部真双子叶植物花部结构的多样化机制和核心真双子叶植物花部结构的起源机制的研究。2.核基因家族和调控网络的进化 1）在对SKP1基因家族的研究中，发现真核生物、原生生物、真菌、动物、植物和被子植物的祖先中分别仅有一个基因拷贝，揭示了这些基因在进化速率上的高度异质性（rate heterogeneity），总结了进化速率与保守程度的相关性，并就如何提高分子系统发育和进化分析的可信度问题进行了深入探讨（Molecular Biology and Evolution 2004, 21: 117-128）。 2）对SKP1基因家族的进一步研究发现该类基因在被子植物中的进化是一个快速的“生与死（birth-and-death）”的过程，新基因产生的速率比平均水平高十倍以上，新基因产生的基本式样是串联重复（tandem duplication）和反转录转座（retroposition），而非片段重复（segmental duplication），这与在其他基因家族中报道的以串联重复和片段重复为主的情形是很不相同的（The Plant Journal 2007, 50: 873-885）。 3）在对Cyclin基因家族的研究中，发现和命名了4个植物特有的基因类型，并通过对序列结构、表达模式和系统发育的分析，揭示了所有10类基因结构变异和功能分化的基本格局，建立了系统发育的基本框架（Plant Physiology 2004, 135: 1084-1099）。 4）在对recA/RAD51基因家族的研究中，揭示出一次发生在古细菌和真核生物分化之前的基因重复事件和五次发生在真核生物起源之前的基因重复事件，不但澄清了各类基因间的系统发育关系，还发现植物中的recA基因可能是从蓝细菌和原细菌中经内共生性横向基因转移（endosymbiotic horizontal gene transfer）获得的（Proceedings of the National Academy of Sciences USA 2006, 103: 10328-10333）。 目前正在对与蛋白质降解、细胞周期和减数分裂等重要生命活动有关的基因和调控网络的进化进行研究。3. 植物系统发育和分子生物地理学 1）在对形态性状的变异式样进行观察和分析的基础上，完成了金粟兰属植物的世界性分类修订，确认该属在全世界仅有10个种（博士学位论文; Acta Phytotaxonomica Sinica 2000, 38: 355-365）。 2）对草珊瑚属（Sarcandra）和金粟兰属（Chloranthus）植物进行了细胞分类学研究，发现了一些有重要分类学价值的染色体性状，并据此探讨了金粟兰科的属间关系以及金粟兰属的种间关系（Botanical Journal of the Linnean Society 2000, 132: 327-342）。 3）在光学显微镜和扫描电镜下对金粟兰科植物的叶表皮微形态进行了观察，发现、描述和报道了一系列新的形态学性状和解剖学性状（Botanical Journal of the Linnean Society 2001, 136: 281-296）。 4）对金粟兰属植物花部器官发生和发育的全过程进行了观察，澄清了该属植物雄蕊的形态学本质（Plant Systematics and Evolution 2002, 232: 181-188）。 5）利用多基因序列对金粟兰属植物进行了分子系统学研究，并结合其他方面的资料，提出了该属一个新的分类系统