芸薹属植物比较基因组学研究进展

植物学通报Chinese Bulletin of Botany 2007, 24 (2): 200−207, 收稿日期: 2006-05-26; 接受日期: 2006-08-26* 通讯作者。

E-mail: yuanbeauty@.专题介绍.芸薹属植物比较基因组学研究进展李媛媛, 傅廷栋, 马朝芝*华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室, 武汉 430070摘要 芸薹属(Brassica )植物是双子叶植物比较基因组学研究的重点对象。

经过十几年的研究, 芸薹属植物比较基因组学研究已取得很大进展。

宏观共线性和微观共线性两个层次的研究均发现, 芸薹属植物之间以及芸薹属和拟南芥之间都存在广泛的共线性, 表明拟南芥信息在芸薹属中具有重要应用价值。

芸薹属作物基因组内存在着多个拷贝的共线性区域, 支持二倍体芸薹属作物起源于多倍体祖先的假设。

关键词 芸薹属, 比较基因组, 拟南芥, 宏观共线性, 微观共线性李媛媛, 傅廷栋, 马朝芝 (2007). 芸薹属植物比较基因组学研究进展. 植物学通报 24, 200−207.比较基因组学(comparative genomics)又称比较遗传学, 是指在不同物种之间利用共同的标记构建图谱或对不同物种基因组相应部分(或全部)区域进行测序, 比较它们之间的基因数目、相对位置、结构关系等, 以揭示不同物种之间的基因家族成员数目和排列顺序的异同。

一般来讲, 比较基因组学主要包括两个方面: 基于遗传图谱的宏观共线性和基于物理图谱或测序的微观共线性。

目前, 禾本科植物的比较基因组研究最为透彻,而芸薹属(Brassica )植物则是双子叶植物比较基因组学研究的重点对象。

从20世纪90年代至今, 经过十几年的历程, 芸薹属植物比较基因组学研究已在宏观共线性和微观共线性两方面都取得了较大进展。

1 芸薹属植物基因组概况芸薹属是十字花科(Cruciferae)植物中最重要的一个属,包含许多有重要经济价值的油料、蔬菜和饲料作物。

从细胞遗传学角度讲, 芸薹属栽培种包括白菜(B. rapa ;AA , 2n = 20)、甘蓝(B. oleracea ; CC , 2n = 18)和黑芥(B. nigra ; BB , 2n = 16) 3个二倍体基本种以及甘蓝型油菜(B. napus ; AACC , 2n = 38)、芥菜型油菜(B.juncea ; AABB , 2n = 36)和埃塞俄比亚芥(B. carinata ;BBCC , 2n = 34) 3个四倍体复合种。

种间人工合成的研究结果表明, 白菜、甘蓝和黑芥为3个基本染色体种,它们通过相互杂交和自然加倍而形成了现在的四倍体种,这就是著名的禹氏三角(U, 1935)。

通过对核DNA 含量的计算, 推测二倍体芸薹属基因组约为拟南芥基因组(125 Mb)的3－5倍, 而四倍体芸薹属基因组则是拟南芥基因组的10倍左右(Bennett and Sm ith, 1976;Arumuganathan and Earle, 1991)。

2 芸薹属植物比较遗传图谱比较遗传作图是利用一个种的基因或者基因的部分片段或者遗传标记, 通过遗传学的方法在其它的物种中寻找其同源序列及构建相应的遗传标记图。

芸薹属植物比较遗传图谱研究可对芸薹属植物之间的结构、亲缘关系及其进化演变提供分子水平的证据; 特别是芸薹属和拟南芥的比较遗传作图, 将大大增加芸薹属中可供利用的遗传标记。

近年来, 芸薹属植物之间以及芸薹属植物与拟南芥之间的比较遗传作图研究都取得了一些重要结果。

2.1 芸薹属植物之间的比较作图芸薹属不同种基因组的比较研究首先是在白菜和甘蓝之201李媛媛等: 芸薹属植物比较基因组学研究进展间开展的。

McGrath和Quiros (1990)通过对二倍体白菜和甘蓝的分子连锁图谱比较研究, 发现二者之间存在一些基因顺序不同的共线性区域, 也发现两者在碱基序列和基因拷贝数上存在很高的相似性。

Parkin等(2003)对白菜和甘蓝之间的比较作图进行了详细分析, 结果表明, 在白菜和甘蓝的基因组内部存在着广泛的重复现象, 大约73%的基因组探针在二者内均能检测到两个或更多个重复序列, 大部分重复位点在共线性区域内, 但其排列顺序却不尽相同。

在这两个二倍体物种中还发现了大量相同的重排, 并且许多连锁群表现出一种与着丝粒融合和断裂相一致的结构。

基于以上结果, 他们推测二倍体芸薹属可能起源于多倍体祖先, 并且在甘蓝和白菜从同一个祖先分化后, 至少发生了16次染色体重排事件, 但一些重排在两个物种分化之前即已发生, 还进一步推测在芸薹属基因组形成过程中着丝粒融合和断裂可能扮演了重要角色。

Lagercrantz和Lydiate(1996a)利用同一套RFLP 探针, 对芸薹属A、B、C基因组进行了分析, 结果发现, 它们的基因组被多个染色体重排区别开来, 但是共线性区域仍广泛存在, 而且由RFLP探针检测到的22%－35%的位点都存在3次重复。

Truco等(1996)也对A、B、C基因组之间的关系进行了比较分析, 发现在基因组内部以及不同基因组之间存在着保守区域, 并且推测3个基因组可能起源于染色体基数至少为5、但不超过7的物种, 且该物种在经过了大量的重复和重排后才形成了现在的芸薹属植物。

不同物种中的同一套基因组之间的异同也被众多研究者所重视。

Hoenecke和Chyi(1991)比较了白菜和油菜的A基因组, 发现大多数位点在两个物种中都是保守的。

Struss等(1996)通过油菜附加系, 利用表形、同工酶以及分子标记对油菜中来自于黑芥、埃塞俄比亚芥的8条B基因组的染色体和来自芥菜型油菜的7条B基因组染色体进行了研究, 结果显示不同物种中B 基因组染色体在进化中发生了大量重组。

此外, 在甘蓝型油菜基因组(AACC)中也发现了来自B基因组的一些标记。

2.2 芸薹属植物与拟南芥之间的比较遗传作图拟南芥是双子叶植物中的模式植物, 全基因组测序已完成, 并且各方面研究也较深入。

芸薹属作为与拟南芥亲缘关系最近的栽培作物, 二者之间的比较作图意义重大,不仅对物种起源、进化研究具有重要的启示作用, 而且对如何利用拟南芥信息克隆芸薹属重要经济性状基因具有指导意义。

甘蓝与拟南芥比较作图开始于Kowalski等(1994)的研究, 结果表明, 甘蓝与拟南芥之间存在着大小为3.7－49.6 cM的共线性片段, 但也发现至少有17个易位和9个倒位存在。

此外还发现, 与拟南芥某些区段相对应,甘蓝中存在3个重复。

Ryder等(2001)研究也表明, 拟南芥和甘蓝的基因组既存在很高的共线性, 也存在较大差异。

迄今为止, 已发表的甘蓝和拟南芥之间较详尽的比较图谱共4个。

其中3个研究小组的结果表明, 甘蓝与拟南芥之间存在广泛的共线性, 但共线性区域的重复次数尚无定论, 一般倾向于有3个拷贝, 从而推测甘蓝可能起源于六倍体祖先(Lan et al., 2000; Babula et al., 2003; Lukens et al., 2003)。

Li等(2003)利用SRAP 标记构建了甘蓝连锁图, 并对相应序列在拟南芥中进行了电子定位, 开展了二者之间的比较研究。

结果表明,虽然甘蓝与拟南芥之间存在广泛的共线性关系, 但共线性区域的重复次数却从1－7个不等, 从而否定了甘蓝来源于六倍体祖先的假设。

Lagercrantz(1998)对黑芥与拟南芥的比较作图进行了详尽研究, 他利用拟南芥连锁图谱上的160个DNA片段, 在黑芥中构建了包含284个同源基因、长度为751 cM的连锁图谱。

二者的比较作图发现, 共线性片段的平均长度为8 cM, 从它们分化后发生了大约90个染色体重排事件, 远远高于所报道的其它物种的染色体重排速率, 并推测二倍体芸薹属植物可能起源于六倍体祖先,在它们分化后, 芸薹属经过了一个重组频率异常高的三倍体化过程。

Jackson等(2000)利用比较荧光原位杂交作图(comparative fluorescence in situ hybridization mapping), 对拟南芥431 kb的BAC片段重叠群与白菜相应染色体片段进行了比较。

结果表明, 虽然这一片段202植物学通报 24(2) 2007在拟南芥基因组中只有1个拷贝, 但是却能与白菜4－6条染色体杂交, 说明该片段在白菜中发生了多次复制。

Cavell等(1998)通过对拟南芥第4染色体长臂为7.5 Mbp的片段与甘蓝型油菜的比较作图揭示: 在拟南芥中为单拷贝的基因在油菜中有2－8个拷贝, 在拟南芥中为多拷贝的基因在油菜则有10个以上拷贝; 对应于拟南芥该区段的油菜图谱中存在6个高度保守的重复区域,它们的平均长度为22 cM, 其中4个与拟南芥对应区段具有完全共线性,而其余2个则发生了内在倒置。

Parkin等(2002)对拟南芥第5染色体与油菜之间的共线性关系进行了详细研究。

研究结果与Cavell等(1998)类似: 在拟南芥第5染色体上, 一段8 Mb的DNA片段在油菜基因组中有6个拷贝, 单一的倒置可能是导致拟南芥第5染色体与油菜对应区间不同的主要重组事件。

最近, Parkin等(2005)利用含有1 000个RFLP标记的甘蓝型油菜图谱与拟南芥相应序列电子定位的信息进行了比较作图研究: 在拟南芥中共检测到21个保守区域,这些保守区域的重复和重排产生了现在的油菜基因组,并且发现两物种之间的着丝粒区域也存在保守性。

上述3例甘蓝型油菜和拟南芥之间的比较作图结果都支持芸薹属二倍体作物来源于六倍体祖先的假设。

以上研究表明, 芸薹属植物和拟南芥之间存在广泛的共线性, 一般认为利用拟南芥信息在芸薹属中发展标记, 进行图位克隆以及鉴定候选基因是切实可行的。

但是, Fourmann等(2002)利用从拟南芥序列发展得到的ACGM (amplified consensus genetic markers)标记在甘蓝型油菜中的应用结果显示, 甘蓝型油菜与拟南芥相应位点对之间的相关系数太低, 他们认为, 利用拟南芥与甘蓝型油菜的共线性关系在油菜中克隆基因困难重重。

3 芸薹属植物微观共线性芸薹属植物比较遗传作图初步表明, 芸薹属之间以及芸薹属和拟南芥之间存在广泛的共线性, 但在进化过程中也发生了大量的易位、重复等现象。

通过比较遗传作图研究并不能反映它们在染色体上真实位置的变化, 要想深入了解芸薹属的进化问题, 还需从微观共线性入手。

另外, 关于拟南芥信息在芸薹属中的可用性也有争议, 为了全面了解拟南芥信息在芸薹属的可用性及可用程度, 也需从微观共线性研究中找到答案。

因此, 在芸薹属植物中, 基于比较物理作图和序列水平比较的微观共线性研究受到了广大研究者的特别关注。