水稻基因組進(jìn)化的研究進(jìn)展

1、水稻基因組進(jìn)化的研究進(jìn)展 水稻是世界上重要的糧食作物之一，養(yǎng)活著全世界近一半的人口。同時(shí)南于水稻基岡組較小、易于轉(zhuǎn)化及與其他禾本科植物基因組的同線性和共線性等特點(diǎn)，一直被作為禾本科植物基因組研究的模式作物。水稻是第一個(gè)被全基因組測(cè)序的作物，目前栽培稻2個(gè)亞種全基因組測(cè)序工作已經(jīng)完成：粳稻品種日本晴(Nipponbare)通過(guò)全基因組鳥(niǎo)槍法和逐步克隆法被測(cè)序，秈稻品種揚(yáng)稻6號(hào)(9311)通過(guò)全基因組鳥(niǎo)槍法被測(cè)序。除核基因組外，水稻葉綠體和線粒體基因組也于1989年和2002年分別被測(cè)序。水稻2個(gè)亞種的全基因組測(cè)序完成，一方面開(kāi)啟了植物比較基因組學(xué)的大門(mén)，另一方面為人們?cè)诨鶎M水平上鑒定出所有水稻

2、基因并分析其功能奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)也使得人們對(duì)植物進(jìn)化的認(rèn)識(shí)，尤其是對(duì)禾本科植物進(jìn)化的了解，逐步從系統(tǒng)分類(lèi)和分子標(biāo)記水平進(jìn)入到了基因組序列水平。許多研究者通過(guò)對(duì)水稻基因組序列的分析，利用生物信息學(xué)工具，對(duì)水稻在基因組水平上的進(jìn)化進(jìn)行了大量研究。1 水稻及其他禾本科植物基因組的古多倍體化過(guò)程 水稻是典型的二倍體植物，其核基因組中共有12條染色體。在水稻基因組被完整測(cè)序之前，人們就已經(jīng)采用分子標(biāo)記、DNA重復(fù)元件等方法探究水稻基因組的古多倍體化(polyploidization)過(guò)程，并發(fā)現(xiàn)了一些重復(fù)的染色體片段。隨著水稻基因組測(cè)序計(jì)劃的完成，越來(lái)越多的證據(jù)表明水稻基因組曾發(fā)生過(guò)全基因組復(fù)制(who

3、le genome duplication)，即古多倍體化過(guò)程。 Golf等利用鳥(niǎo)槍法完成了粳稻品種日本晴全基因組的測(cè)序工作，并利用同義替換率分布方法(Ks- based age distribution)提出水稻基因組可能發(fā)生過(guò)一次全基因組復(fù)制過(guò)程。此后多家研究機(jī)構(gòu)和一些研究者對(duì)水稻基因組中的重復(fù)片段進(jìn)行了研究，雖然得出的結(jié)論不盡相同，但均發(fā)現(xiàn)水稻基因組中存在大量的重復(fù)片段。根據(jù)所采用方法和參數(shù)的不同，這些重復(fù)片段占整個(gè)水稻基因組的1562。Yu等在水稻基因組中發(fā)現(xiàn)了18對(duì)大的重復(fù)片段，大約占整個(gè)基因組的657。其中17對(duì)重復(fù)片段形成的時(shí)間很相近，發(fā)生在禾本科物種分化之前；最近的一次片段復(fù)制

4、事件發(fā)生在水稻11和12號(hào)染色體之間，在禾本科物種分化之后。 水稻基因組被測(cè)序之后，許多科研機(jī)構(gòu)對(duì)基因組數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳盡的注釋。其中應(yīng)用比較廣泛的是美國(guó)基因組研究院(the institute for genome research，TIGR)和日本農(nóng)業(yè)生物科學(xué)研究所(national in- stitute of agrobiological sciences，NIAS)的水稻基因組注釋信息。TIGR根據(jù)其注釋的結(jié)果和基因相似性矩陣(gene homology matrix，GHM)方法，檢測(cè)到大量染色體間的重復(fù)片段，這些重復(fù)片段幾乎覆蓋了整個(gè)水稻基因組。TIGR水稻基因組注釋數(shù)據(jù)庫(kù)從第4版開(kāi)

5、始便增加了對(duì)片段重復(fù)的注釋?zhuān)摲治鍪抢?DAGChainer程序進(jìn)行的，重復(fù)片段采用100 kb和500 kb 2種參數(shù)模型進(jìn)行了染色體片段的基因共線性分析(圖1)，這是全基因組復(fù)制的有力證據(jù)。根據(jù)復(fù)制片段上同源基因的分子進(jìn)化分析，估計(jì)全基因組復(fù)制發(fā)生在大約7 000萬(wàn)年前，在禾本科物種分化之前。此外，Zhang等利用TIGR更新的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采用同義替換率分布方法檢測(cè)到另一次更古老的(單、雙子葉植物分化前)基因組復(fù)制事件，說(shuō)明水稻基因組至少經(jīng)歷了2次全基因組復(fù)制過(guò)程。 全基因組復(fù)制或多倍體化是植物尤其是禾本科作物物種形成和進(jìn)化過(guò)程中非常重要的事件，大部分開(kāi)花植物在進(jìn)化過(guò)程中均經(jīng)歷了多倍體

6、化過(guò)程?；蚪M加倍后，再經(jīng)歷所謂的二倍體化過(guò)程(diploidization)，進(jìn)化成當(dāng)代的二倍體物種，并造成大量重復(fù)片段中基因的重排和丟失。Salse等研究發(fā)現(xiàn)基因組復(fù)制事件對(duì)禾本科植物的物種形成和演變具有重要作用。他們認(rèn)為禾本科植物的祖先物種是一個(gè)基因組內(nèi)包含5條染色體的物種，在進(jìn)化過(guò)程中，首先在距今5 0007 000萬(wàn)年前經(jīng)基因組復(fù)制產(chǎn)生了10條染色體；此后，在基因組內(nèi)發(fā)生了2次染色體置換和融合而形成了12條中間態(tài)染色體。以這12條中間態(tài)染色體為基礎(chǔ)，逐漸分化出水稻、小麥、玉米和高粱的基因組，其中水稻基因組保留了原有的12條中間態(tài)染色體，而小麥、玉米和高粱均又發(fā)生了染色體丟失和融合才形

7、成了現(xiàn)有的基因組。水稻全基因組復(fù)制片段是至今為止在動(dòng)、植物基因組中發(fā)現(xiàn)的最為清晰、完整的基因組復(fù)制的遺跡。水稻之所以保存這么完整，一方面是水稻基因組保持了12條中間態(tài)染色體的基本形態(tài)，另一方面可能與水稻基因組相對(duì)較穩(wěn)定有關(guān)。2水稻秈粳2個(gè)亞種的分化 水稻是世界上最重要的糧食作物之一，在其11 500多年的栽培歷史中，因適應(yīng)不同的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境而產(chǎn)生了豐富的遺傳多樣性和明顯的遺傳分化。長(zhǎng)期以來(lái)，基于形態(tài)性狀、同工酶以及對(duì)一些化合物不同反應(yīng)的研究，把亞洲栽培稻(Oryza sativa L)分為秈稻(indica)和粳稻(japonica)2個(gè)亞種。其中秈亞種耐濕耐熱，主要適應(yīng)于熱帶和亞熱帶等低緯度

8、地區(qū)，而粳亞種則耐寒耐弱光，適應(yīng)于高緯度和高海拔地區(qū)種植。這2個(gè)亞種間不僅產(chǎn)生了生殖隔離的基因庫(kù)，還在形態(tài)特征、農(nóng)藝性狀和生理生化反應(yīng)等方面存在明顯的差異。近期群體遺傳結(jié)構(gòu)的分析進(jìn)一步顯示秈、粳亞種中還可以細(xì)分成少數(shù)幾個(gè)亞群。隨著水稻細(xì)胞器與核基因組測(cè)序計(jì)劃的完成，人們可以通過(guò)序列比對(duì)、逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座元件多態(tài)性分析以及核基因組中葉綠體 DNA插入時(shí)間的估計(jì)來(lái)研究秈粳亞種的差異、追蹤亞種的起源以及推斷2個(gè)亞種的分化時(shí)間。 在水稻基因組序列釋放以后，人們通過(guò)分析秈粳2個(gè)亞種間的單核苷酸多態(tài)序列(single nucleotide pol- ymorphisms，SNPs)和插入缺失差異片段(inser

9、tiondeletions，InDels)來(lái)挖掘秈稻或粳稻特有的分子標(biāo)記，顯著提高了水稻的遺傳分化研究的精確度和可信度。Shen等通過(guò)生物信息學(xué)方法比較了日本晴和揚(yáng)稻6號(hào)的全基因組序列的差異，構(gòu)建了一個(gè)日本晴和揚(yáng)稻6號(hào)全基因組DNA序列多態(tài)性數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)包含了1 703 176個(gè)SNPs和479 406個(gè)InDels。由于日本晴和揚(yáng)稻6號(hào)代表了典型的粳稻和秈稻，因而兩者基因組序列上的InDel片段差異可能反映了秈稻和粳稻這2種生態(tài)型基因組序列差異。除水稻2個(gè)亞種的基因組被測(cè)序外，水稻的葉綠體和線粒體基因組也已經(jīng)被測(cè)序。Tang和Tian等分別在對(duì)秈稻品種揚(yáng)稻6號(hào)和粳稻品種培矮64S(PA6

10、4S)的葉綠體和線粒體基因組進(jìn)行測(cè)序的基礎(chǔ)上，對(duì)2種細(xì)胞器基因組序列亞種間的差異進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)水稻葉綠體亞種間差異位點(diǎn)上存在72個(gè)SNPs和27個(gè)InDels，而線粒體基因組之間則存在96個(gè)SNPs、25個(gè)InDels以及3個(gè)片段序列變異。以上研究的結(jié)果總結(jié)于表1。由表1可知，葉綠體和線粒體基因組亞種間多態(tài)率遠(yuǎn)低于核基因組，而線粒體又較葉綠體低。這種多態(tài)率的差異可能反映了核、葉綠體和線粒體DNA進(jìn)化速率上的差異。 遺傳學(xué)和考古學(xué)的研究雖然已為玉米(Zeamays sspmays)及小麥(Triticum aestivum L)的馴化、傳播提供了較為全面的說(shuō)明，但相比之下，水稻的馴化過(guò)程在很多

11、方面還存在爭(zhēng)議。比如，亞洲栽培稻是一次起源還是兩(多)次起源、野生祖先是普通野生稻(Oryza rufipogon)還是尼瓦拉野生稻(Oryza nivara)以及馴化地點(diǎn)等等。目前，關(guān)于栽培稻秈粳亞種起源的假說(shuō)主要有2種，即一源論和二(多)源論，其中又以二(多)源論占據(jù)主要地位。一源論認(rèn)為亞洲栽培稻只起源了一次，而粳稻是從秈稻中分化而來(lái)的高海拔和高緯度的適應(yīng)類(lèi)型。這一觀點(diǎn)得到部分研究的支持。蔡星星等采用45對(duì)InDel引物對(duì)來(lái)自亞洲10個(gè)國(guó)家的49份秈稻、43份粳稻品種和24份野生稻進(jìn)行了檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)秈稻與粳稻存在明顯的遺傳分化，含AA基因組的野生稻與秈稻品種存在較近的親緣關(guān)系，從而較好地支持

12、了秈稻是由含AA基因組的野生稻直接馴化而來(lái)，而粳稻由秈稻分化而來(lái)的假說(shuō)。另一方面，也有研究者認(rèn)為秈粳亞種的分化在它們馴化之前的野生祖先中就已經(jīng)完成，隨后，秈型的野生祖先馴化為秈稻，粳型的野生祖先則馴化為粳稻，二者獨(dú)立起源，即二(多)源論。近年來(lái)基于多個(gè)座位DNA序列的核苷酸多態(tài)性及系統(tǒng)發(fā)生分析越來(lái)越明顯地支持二(多)源論假說(shuō)。這些研究發(fā)現(xiàn)，秈粳亞種屬于獨(dú)立的進(jìn)化分枝，而秈稻的遺傳多樣性比粳稻高且與野生祖先親緣關(guān)系更為接近的原因可能是由于較大的建立群體(founding population)和較小的瓶頸效應(yīng)等緣故。 關(guān)于秈粳亞種分化時(shí)間的推斷，人們最初利用2個(gè)亞種基因組序列的差異來(lái)進(jìn)行。Ben

13、netzen等對(duì)2個(gè)亞種的29 kh同源片段進(jìn)行了分析，認(rèn)為這2個(gè)亞種是距今100萬(wàn)年前開(kāi)始分化的，但該研究未給出這一估計(jì)的詳細(xì)信息。Ma等以非洲栽培稻(Oryza glaberrima)的核DNA作為參照，通過(guò)對(duì)秈稻和粳稻超過(guò)1 Mb的基因組DNA序列變異的分析，推斷秈粳亞種的分化發(fā)生在大約44萬(wàn)年前。Zhu等對(duì)A基因組的稻屬物種中4個(gè)核基因的內(nèi)含子進(jìn)行了系統(tǒng)發(fā)生分析，并通過(guò)分子鐘方法估計(jì)2個(gè)亞種的分化時(shí)間大約在40萬(wàn)年前，與Ma等結(jié)果非常接近。此外，植物基因組中普遍存在的逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子(retrotransposon)也已廣泛應(yīng)用于秈粳亞種分化的研究中。逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子是一類(lèi)通過(guò)RNA反轉(zhuǎn)錄進(jìn)行

14、轉(zhuǎn)座的可移動(dòng)遺傳元件，根據(jù)其末端長(zhǎng)末端重復(fù)序列(10ng terminal repeat，LTR)的有無(wú)又可分為L(zhǎng)TR逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子和non- LTR逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子2類(lèi)。通過(guò)比較秈粳亞種基因組同源區(qū)域特定逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座元件的有無(wú)，可以區(qū)分出亞種間共同的插入事件(發(fā)生在亞種分化前)和亞種特異的插入事件(發(fā)生在亞種分化之后)。進(jìn)一步通過(guò)對(duì)這2類(lèi)插入事件中逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子5和3端LTRs分化率的計(jì)算可以推斷出插入的時(shí)間，從而了解亞種的分化時(shí)間。Vitte等比較了110個(gè)逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座元件在秈粳亞種基因組間的差異，發(fā)現(xiàn)有82個(gè)在秈稻基因組中不存在。結(jié)合LTRs分化率的計(jì)算，估計(jì)這2個(gè)亞種是在大約20萬(wàn)年前分開(kāi)的。根據(jù)

15、以上研究結(jié)果，利用核基因組序列推斷的秈粳亞種的分化時(shí)間在大約2040萬(wàn)年前。這一時(shí)間遠(yuǎn)早于水稻被馴化的時(shí)間(大約1萬(wàn)年前)，說(shuō)明秈粳分化在馴化前的野生祖先中早已完成，很好地支持了秈粳亞種起源的二(多)源假說(shuō)。除核基因組外，細(xì)胞器基因組也已廣泛用于秈粳亞種分化時(shí)間的估計(jì)。Tang和Tian等分別利用葉綠體和線粒體基因組在秈粳2個(gè)亞種之間SNPs的頻率，估計(jì)出2個(gè)亞種葉綠體基因組分化的時(shí)間在大約8620萬(wàn)年前，而線粒體基因組分化的時(shí)間在4525萬(wàn)年前。此外，由于植物中常見(jiàn)細(xì)胞器 DNA向核中轉(zhuǎn)移，通過(guò)2個(gè)亞種核基因組中葉綠體插入事件的分析也可以推斷亞種的分化時(shí)間。Guo等44j利用粳稻日本晴中8個(gè)

16、葉綠體插入片段及其側(cè)翼的核序列在秈稻基因組中進(jìn)行搜索，找到了6個(gè)直系同源片段，代表了亞種分化以前的共同插入事件，而另外2個(gè)在秈稻基因組中不存在，代表了亞種分化以后發(fā)生在粳稻中的特異插入事件。進(jìn)一步對(duì)核基因組中這些插入片段和葉綠體基因組中對(duì)應(yīng)片段平均同義替代數(shù)(dr)進(jìn)行計(jì)算，推斷2個(gè)亞種的分化時(shí)間大約在622萬(wàn)年前。3水稻馴化相關(guān)基因的進(jìn)化研究 古人類(lèi)從大約1萬(wàn)年前開(kāi)始種植原始作物，他們從當(dāng)?shù)氐囊吧嫦戎羞B續(xù)選擇優(yōu)良的個(gè)體，并且學(xué)會(huì)了貯藏谷物。這就是達(dá)爾文所提出的馴化過(guò)程。作為人工選擇下的快速進(jìn)化，馴化一直被認(rèn)為是開(kāi)展進(jìn)化研究的模型。馴化相關(guān)基因的克隆使人們得以揭開(kāi)馴化性狀變化的分子基礎(chǔ)，而且

17、對(duì)不同種質(zhì)的馴化基因進(jìn)行研究能夠回答一種作物在哪里、從什么物種以及被馴化多少次的問(wèn)題。 由于包含的物種數(shù)多、遺傳研究時(shí)間長(zhǎng)以及較為深入的馴化和系統(tǒng)發(fā)生分析，稻屬(Oryza)植物已經(jīng)成為研究基因功能、基因組進(jìn)化、馴化以及多倍體性的理想模式系統(tǒng)。目前利用水稻基因組信息以及廣泛的數(shù)量性狀基因座(quantitative trait locus，QTL)分析，在水稻上已經(jīng)克隆了很多馴化相關(guān)基因，同時(shí)其功能核苷酸多態(tài)性(functional nucleotide ploymorphisms，F(xiàn)NPs)，即與農(nóng)藝性狀自然變異有關(guān)的DNA變異也已經(jīng)得到了鑒定(表2)。其中最重要的是2個(gè)與落粒性狀相關(guān)的基因

18、sh4和qSHl48j。sh4是一個(gè)編碼Myb3轉(zhuǎn)錄因子的QTL，由于第一個(gè)外顯子中的單核苷酸替代產(chǎn)生了控制籽粒脫落的FNP。突變的等位基因?qū)е伦蚜：突üＶg的離層不能完全形成，從而減輕籽粒的脫落。sh4在所有的栽培種中都有相同的FNP，因而可能來(lái)自同一次馴化事件；相比之下，粳稻的籽粒較秈稻難脫落，而qSHl正是控制這種秈粳亞種落粒性差異的QTL。qSHl編碼一個(gè)BELl型同源異型框基因，其5調(diào)控區(qū)的一個(gè)單核苷酸多態(tài)性導(dǎo)致粳稻中籽粒和花梗之間的離層完全不能形成，從而喪失落粒性。sh4的單一起源可能意味著栽培稻只起源了一次，似乎不符合普遍接受的秈粳亞種起源的二(多)源論。目前已有相關(guān)模型對(duì)此作出

19、解釋?zhuān)J(rèn)為基因的滲透現(xiàn)象使這類(lèi)基因在栽培種中被廣泛固定。 除落粒性狀之外，還有多個(gè)與水稻馴化相關(guān)的基因被克隆，包括控制種皮顏色的Rc基因、控制胚乳中直鏈淀粉含量的Waxy基因、控制籽粒灌漿和產(chǎn)量的GIFl基因以及控制分蘗角的PROGl基因等。Rc基因在其第6個(gè)外顯子中有大約14 bp的缺失使其失去了生物合成花青素的功能，從而使稻米顯示為白色。除Rc之外，還有另一個(gè)基因Rd參與原花色素的形成，從而也控制水稻種子的果皮顏色。 waxy基因在第一個(gè)內(nèi)含子5端剪切位點(diǎn)的一個(gè)SNP影響到編碼直鏈淀粉酶的功能，從而降低了胚乳中的直鏈淀粉含量，提高了蒸煮后的米粒黏度。由于rc、waxy等位基因存在不同品種之

20、間的差異，而且種子顏色和口感很可能只是一種帶有文化差異或者偏好性的選擇目標(biāo)，因而有人提出此類(lèi)基因可能不是控制典型馴化性狀的基因。 水稻的產(chǎn)量性狀是由包括籽粒數(shù)和粒重在內(nèi)的多個(gè)組分共同構(gòu)成的，并且受到大量數(shù)量性狀基因座的控制。Wang等利用漸滲系(introgression lines)分離和鑒定了一個(gè)控制籽粒灌漿的QTL GIFl。該基因編碼一個(gè)細(xì)胞壁轉(zhuǎn)化酶，在籽粒灌漿過(guò)程的早期參與碳的分配。由于馴化過(guò)程中啟動(dòng)子區(qū)域變異的積累，限制了該基因在灌漿過(guò)程中在胚珠維管束中表達(dá)，從而有利于籽粒充實(shí)進(jìn)而提高產(chǎn)量。此外，作物株型也與產(chǎn)量密切相關(guān)，對(duì)于具有理想分蘗數(shù)和分蘗角的植株的選擇被認(rèn)為是水稻馴化過(guò)程中

21、最關(guān)鍵的事件之一。 Tan和Jin等分別用不同材料克隆了控制水稻分蘗角的QTLPR(X；1，該基因編碼一個(gè)新的鋅指轉(zhuǎn)錄因子，而且對(duì)于分蘗數(shù)、分蘗角、籽粒數(shù)以及最終的產(chǎn)量表現(xiàn)出一因多效。在水稻馴化過(guò)程中對(duì)隱性的progl基因的人工選擇導(dǎo)致了水稻從匍匐生長(zhǎng)到直立生長(zhǎng)。此類(lèi)等位基因如sh4、gif1、progl等在栽培種中被廣泛固定，因而它們是區(qū)分栽培和野生種的關(guān)鍵基因。 隨著馴化相關(guān)基因的克隆及其相應(yīng)的FNP信息的積累，人們可以對(duì)廣泛分布的地方品種功能核苷酸的基因型進(jìn)行鑒定，再結(jié)合基因組范圍內(nèi)的RFLP分析以及地方品種生物地理起源的信息，來(lái)推斷作物起源過(guò)程中的歷史事件以及作物馴化的地點(diǎn)，最終了解整

22、個(gè)馴化的過(guò)程。Konishi等利用該方法對(duì)5個(gè)馴化相關(guān)基因qSW5、Rc、Wx、Rd(Rdl、Rd2)以及qSHl的6個(gè)FNPs在91個(gè)不同的粳稻地方品種中進(jìn)行分析，認(rèn)為粳稻起源于印度尼西亞、菲律賓等東南亞的島國(guó)并提出了一個(gè)關(guān)于粳稻馴化的模型。這一結(jié)果與利用考古學(xué)證據(jù)得出的粳稻起源于中國(guó)的長(zhǎng)江流域的結(jié)論不相符合。是由于進(jìn)行此類(lèi)分析時(shí)搜集的地方品種有效性不夠、數(shù)量有限而導(dǎo)致了不正確的結(jié)論，還是粳稻確實(shí)起源于東南亞的島國(guó)，目前尚不能準(zhǔn)確回答這一問(wèn)題，需要更多的考古證據(jù)以及對(duì)更多馴化基因的FNPs進(jìn)行更深入的研究。 由于與馴化相關(guān)的性狀大部分為數(shù)量性狀，所以對(duì)這些性狀的研究往往從利用雜交群體進(jìn)行QT

23、L作圖開(kāi)始，然后按照?qǐng)D位克隆和候選基因的方式克隆主效QTL，再結(jié)合克隆的序列來(lái)查找適應(yīng)性進(jìn)化的信息，即圖2A所示的第一種研究方式(Top-Down)。通過(guò)Top-Down方法，人們已經(jīng)逐步認(rèn)識(shí)到水稻一些重要農(nóng)藝性狀的來(lái)源及其控制這些性狀基因的分子演化規(guī)律。然而作物的馴化是一個(gè)非常系統(tǒng)的工程，涉及的性狀也非常多，僅僅通過(guò) Top-Down的方法人們很難認(rèn)識(shí)到基因組上分子進(jìn)化的規(guī)律。盡管人們都明白作物馴化對(duì)人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展起到了重要作用，可是人們對(duì)作物在馴化過(guò)程中表現(xiàn)出的適府性的遺傳基礎(chǔ)還了解很少。隨著栽培稻2個(gè)亞種基因組測(cè)序計(jì)劃的完成，人們已經(jīng)能夠在基因組水平上鑒定出所有的基因，這使得通過(guò)Bott

24、om-Up方法(圖2B)研究水稻基因馴化成為可能。該方法首先在基因組水平上鑒定出所有具有適應(yīng)性進(jìn)化的基因，然后通過(guò)對(duì)候選基因的序列分析和功能鑒定，了解適應(yīng)性進(jìn)化與表型的關(guān)系。Yu等對(duì)水稻品種明恢63和農(nóng)墾58的水稻光敏核不育位點(diǎn)Prosl進(jìn)行測(cè)序，并將這兩親本的基因組序列與日本晴和揚(yáng)稻6號(hào)的序列進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)該區(qū)段的4個(gè)親本在序列組成上存在巨大差異，表明在自然和人工選擇的共同作用下，Pmsl區(qū)段正處于快速的基因組進(jìn)化過(guò)程中。在玉米上，Yamasaki等對(duì)基因組中隨機(jī)選擇的1 095個(gè)基因在14個(gè)自交系中進(jìn)行了測(cè)序，并且選擇了零序列多樣性的35個(gè)基因作為潛在的人工選擇基因。隨后在不同的玉米地

25、方品種和類(lèi)蜀黍中對(duì)這35個(gè)基因進(jìn)行測(cè)序，最終鑒定了8個(gè)候選的馴化基因。這是利用Bottom-Up方法在基因功能和表型都未知的情況下鑒定出潛在的控制重要農(nóng)藝性狀的基因重要例證。4 物種特異性擴(kuò)張?jiān)谒净蚣易暹M(jìn)化中的作用由一個(gè)共同的祖先基因經(jīng)過(guò)重復(fù)和變異產(chǎn)生的、其外顯子相關(guān)的一組基因稱(chēng)為基因家族(gene fami- ly)?；蚣易宓某蓡T可以彼此形成基因簇或分布于不同的染色體上，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劑基因家族等。隨著水稻2個(gè)亞種基因組測(cè)序計(jì)劃的完成，使得人們能夠從基因組水平上鑒定出水稻某一特定基因家族的全部基因，這為在基兇組水平上研究基因家族的進(jìn)化奠定了基礎(chǔ)。

26、由于在水稻的基因組分析之前，雙子葉模式植物擬南芥的全基因組已經(jīng)被測(cè)序并進(jìn)行了深入的注釋?zhuān)詫?duì)水稻基因家族進(jìn)化分析中往往伴隨著同擬南芥和其他植物基因組中基因的比較。這樣不僅可對(duì)單、雙子葉模式植物的基因家族序列進(jìn)行比較分析，還可以通過(guò)生物信息學(xué)方法分析在單、雙子葉植物分化之后基因家族的擴(kuò)張。結(jié)果表明，雖然在進(jìn)化過(guò)程中存在基因家族成員丟失的現(xiàn)象，但是大部分基因家族在單子葉與雙子葉植物分化后按照物種特異性的方式進(jìn)行了擴(kuò)張。就水稻的基因家族而言，其擴(kuò)張的方式主要有3種，即：片段復(fù)制、串聯(lián)重復(fù)和逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座或其他轉(zhuǎn)座事件。41 片段復(fù)制由于大部分植物物種均經(jīng)歷了多倍體化過(guò)程，因而片段復(fù)制(segmenta

27、l duplication)在基因重復(fù)的3種機(jī)制中是最為重要也是最為普遍的一種方式。全基因組復(fù)制是一種大規(guī)模的染色體倍增過(guò)程。它的產(chǎn)生可能是因?yàn)榛蚪M染色體缺乏一次有效的減數(shù)分裂，因此，重復(fù)區(qū)域通常表現(xiàn)為一大片段區(qū)域中所有基因的重復(fù)，而不是單個(gè)或少數(shù)幾個(gè)基因的重復(fù)。因?yàn)榛蚪M發(fā)生了復(fù)制，原基因的拷貝數(shù)均增加了一倍，它為新基因的產(chǎn)生提供了原始的物質(zhì)基礎(chǔ)，從而為表型的巨大差異提供了物質(zhì)前提。本課題組對(duì)Tubby-like和CPP- like基因家族的物種特異性擴(kuò)張的研究表明，片段復(fù)制在物種特異性擴(kuò)張中起到?jīng)Q定性作用。42 串聯(lián)重復(fù)串聯(lián)重復(fù)(tandem repeat)是由非同源位點(diǎn)的重組即不等交換

28、(unequal crossing over)形成的，這種方式形成的重復(fù)基因在染色體上的位置非常接近。根據(jù)重組位點(diǎn)的不同，重組的區(qū)域可能包含一個(gè)完整的基因、基因的一部分或者比原基因更長(zhǎng)的一段區(qū)域。串聯(lián)重復(fù)基因容易發(fā)生基因轉(zhuǎn)換，從而使序列的同源性增強(qiáng)。串聯(lián)重復(fù)在進(jìn)化中的作用是平衡基因家族的數(shù)量、維持基因家族的功能。這種現(xiàn)象在水稻基因組中普遍存在。Yu等發(fā)現(xiàn)在水稻的2號(hào)和6號(hào)染色體上分別存在311對(duì)和957對(duì)串聯(lián)重復(fù)。Kong等對(duì)被子植物的SKPl基因家族的進(jìn)化分析表明，該基因家族在單、雙子葉植物分離之后快速進(jìn)行了擴(kuò)張，而擴(kuò)張的方式在水稻和擬南芥中均主要為串聯(lián)重復(fù)。此外一些研究表明，片段復(fù)制和串聯(lián)

29、重復(fù)對(duì)基因家族的擴(kuò)張均起到非常重要的作用，如植物的ERF基因家族E843和擬南芥中的RLKPELL基因家族，但水稻中 RLKPELL基因家族的擴(kuò)張則主要是串聯(lián)重復(fù)。43逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座 逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座(retrotransposition)是指將已經(jīng)轉(zhuǎn)錄和剪切的mRNA，經(jīng)歷了逆轉(zhuǎn)錄(reverse-transcribe)過(guò)程之后，形成的cDNA隨機(jī)插入到染色體的某一新的位置并形成新的重復(fù)基因的過(guò)程。從其產(chǎn)生的生物學(xué)過(guò)程我們可以知道逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座形成的重復(fù)基因往往具有以下幾個(gè)特征：缺少內(nèi)含子、含有ployA序列及短的側(cè)翼重復(fù)序列。經(jīng)過(guò)逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座形成的新基因往往由于缺少必要的調(diào)控序列而形成不表達(dá)的假基因。但是

30、如果這類(lèi)基因獲得了新的調(diào)控序列，也可以表達(dá)并形成新的具有功能的基因。Wang等對(duì)水稻基因組中的基因進(jìn)行系統(tǒng)分析發(fā)現(xiàn)有1 235個(gè)基因是經(jīng)過(guò)逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座形成的基因，通過(guò)替換率分析發(fā)現(xiàn)大部分是經(jīng)歷了凈化選擇(purifying selection)的作用，并且這些基因中大部分是功能基因。除了上述3種主要的基因復(fù)制模式之外，來(lái)自于其他物種的基因通過(guò)水平基因轉(zhuǎn)移對(duì)基因重復(fù)也起到重要的作用?；驈?fù)制對(duì)基因家族的進(jìn)化具有重要意義，這主要是因?yàn)榛驈?fù)制可以為新基因的產(chǎn)生提供最原始的材料，而新基因的產(chǎn)生又可以促使其產(chǎn)生新的功能?；蛑貜?fù)之后形成的旁系同源基因，大約只有12 N(N為物種的有效全體數(shù)目)比率在二倍

31、體生物中被固定，其余的基因均被隨機(jī)漂變。針對(duì)基因家族成員在基因重復(fù)之后經(jīng)歷的功能分化，人們首先是在基因序列上考慮并提出了多種假說(shuō)。重復(fù)基因經(jīng)過(guò)選擇作用后，根據(jù)功能分化的不同可以分為4種模式：亞功能化(subfunctionalization)、假基因化(pseud-ogenization)、新功能化(neofunctionalization)和亞新功能化(subneofunctionalization)。由于亞功能化、新功能化和亞新功能化的影響，重復(fù)的基因往往在功能方面表現(xiàn)出差異。Johnson等對(duì)水稻單糖轉(zhuǎn)運(yùn)體基因家族中重復(fù)基因的分析表明：亞功能化、新功能化和亞新功能化均對(duì)該基因家族中重復(fù)基

32、因的固定起作用。本課題組通過(guò)組織特異性表達(dá)分析對(duì)水稻Tubby-like基因家族進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)該基因家族中重復(fù)基因往往具有不同的組織特異性表達(dá)模式，表明它們?cè)诨蚪M中能夠固定下來(lái)主要得益于新功能化和亞新功能化。5 展望51 禾本科作物基因組的共線性與比較基因組學(xué)研究 由于大部分禾本科植物基因組均來(lái)自于由5條祖先物種染色體加倍形成的12條中間態(tài)染色體，其基因組內(nèi)所含基因及基因的順序是高度保守的。這種基因組的共線性最初通過(guò)利用RFLP標(biāo)記對(duì)小麥、大麥、高粱、玉米等基因組的比較分析得到了驗(yàn)證。此外通過(guò)對(duì)禾本科植物的sh2、adhl、umc90、rpl、zlCl、lg2和lrsl等基因在基因組上位置的比較，也發(fā)現(xiàn)它們?cè)诤瘫究浦参锘蚪M中的順序是一致的。隨著水稻基因組測(cè)序計(jì)劃的完成，人們利用水稻基因組對(duì)多種禾本科作物開(kāi)展了比較研究，但是這種基于標(biāo)記研究所得出的共線性結(jié)論依舊顯得比較粗放。 在水稻基因組測(cè)序計(jì)劃完成近4年之后，高粱(Sorghum bicolor L)成為被完全測(cè)序的第2個(gè)禾本科作物，使我們可以直接在序列水平上證實(shí)禾本科基因組的共線性。高梁、水稻的分化發(fā)生在禾本科祖先基因組復(fù)制以后2 000萬(wàn)年或更久的時(shí)間，大約94的高粱基因(2 5875)在水稻、擬南芥及楊樹(shù)中有直系同源基因，其中又有77的基因(19