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, https://www.360docs.net/doc/5b12689142.html,

收稿日期: 2006-05-26; 接受日期: 2006-08-26

* 通讯作者。E-mail: yuanbeauty@https://www.360docs.net/doc/5b12689142.html,

.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

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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

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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。

3.1芸薹属植物比较物理作图

3.1.1 随机区域的比较物理作图

芸薹属作物微观共线性研究主要是通过物理作图实现的。Sadowski等(1996)研究发现, 在拟南芥第3染色体上, 15 kb片段上的5个基因在白菜、甘蓝和黑芥基因组中的分布具有很高的微观共线性, 它们在每个基因组中都位于同一个连锁群上, 并且高度连锁。另外还发现, 在这3个芸薹属作物中, 均存在1个或2个不完全的基因簇(gene clusters)。Sadowski和Quiros (1998)运用同样的方法, 比较了拟南芥第4染色体上一个30 kb 片段上的6个基因在黑芥基因组的分布情况, 得到了类似结果: 在黑芥基因组中, 存在含有上述6个基因的一个区域, 而且也存在不完全的基因簇。O’Neill和Bancroft (2000)利用拟南芥第4染色体上一个222 kb重叠群上的19个低拷贝基因作探针, 对甘蓝基因组文库进行了筛选,结果发现, 19个基因在甘蓝上存在同源基因。筛选到的克隆共组成了7个重叠群, 比较发现所有重叠群长度都不一样, 说明拟南芥和甘蓝基因之间存在较大差异。Rana等(2004)分别利用白菜亚种Trilocularis、甘蓝型油菜品种Tapidor和甘蓝的BAC文库, 对其中的特定区域进行了较为详细的比较分析。结果表明, 在白菜中的共生同源(paralogous)区域和直系同源(orthologous)区域与拟南芥相应区域之间存在很大差异: 在白菜中观察到的基因缺失现象与甘蓝相似; 基因排列在不同物种的直系同源区域高度保守, 同时也发现一些物种的特异性重排。据此推测, 二倍体芸薹属基因组微观结构的进化正在不断演变中。结果还显示, 油菜中A、C基因组分别与白菜A基因组和甘蓝C基因组相比, 彼此之间只有细微变化, 甚至没有变化。因此他们认为, 在油菜形成过程中, 该研究中的这些片段在微观结构上没有发生明显的进化爆发事件(a burst of evolution)。

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3.1.2 特定农艺性状区域的比较物理作图

除了对某些随机区域的比较物理作图外, 对重要农艺性状的比较研究更是目前研究者关注的领域。其中对开花基因的比较研究最为系统。Lagercrantz等(1996b)研究发现, 黑芥中控制开花时间的基因可能与拟南芥中的CO (CONSTANS)基因一致。随后利用拟南芥中包括CO基因在内的、附近11个克隆进行了比较作图, 发现黑芥对应区域内的标记排列与拟南芥相应区域的克隆顺序完全一致。Osborn等(1997)在芸薹属作物控制开花时间基因的比较作图中发现, 甘蓝型油菜与开花时间有关的2个QTLs和白菜中相关QTLs一一对应, 而进一步对油菜与拟南芥基因组的比较显示, 其中一个QTL与拟南芥第5染色体顶端的包含FLC、FY和CO区域相对应, 而另一个则与拟南芥第4染色体顶端的包含FRI 基因的区域相对应。Axelsson等(2001)在研究开花基因进化中发现, 拟南芥第5染色体顶端区域在芸薹属作物3个二倍体基本种中都有2个拷贝, 而在四倍体复合种芥菜型油菜中则有6个拷贝。控制开花的QTLs在二倍体中均检测到2个, 在四倍体中检测到3个, 且都位于上述共线性区域内。他们还对CO基因在芸薹属基因组中的定位进行了研究, 发现上述9个QTLs中, 其中8个的峰值处可检测到CO的同源基因。因此推测, 芸薹属不同作物中控制开花的所有主效QTLs可能都是古老的CO基因的重复所致。FLC基因也是和拟南芥开花时间相关的关键基因, 该基因位于第5染色体顶端区域。Schranz等(2002)在白菜中克隆了4个FLC同源基因, 并与拟南芥进行了比较分析。白菜中的3个FLC同源基因(BrFLC1、BrFLC2和BrFLC3)所在的染色体区域都与拟南芥FLC基因所在区域呈共线性, 并且BrFLC1、BrFLC2和BrFLC5与控制开花时间的位点共分离。

植株形态性状方面的比较研究也颇受重视。Lan和Paterson (2001)应用3个不同的甘蓝F2群体, 对植株形态性状, 如叶长、叶宽、茎高、茎宽、节数等, 进行了QTLs定位, 在3个群体中共检测到47个QTLs (LOD ＞2.5)。通过这3个不同群体构建的图谱之间的比较发现, 其中38个是非重复的, 并且这些QTLs可能与28个古老基因区域相对应。这些结果表明, 芸薹属基因组进化相对比较迅速, 并且高水平重复可能促进了这种快速进化。另外, 在甘蓝花序性状有关QTLs分析中, 也得到了类似结果 (Lan and Paterson, 2000)。在上述两项研究中, 相关性状的某些QTLs在拟南芥中也发现了相应的共线性区域。最近的一项研究显示, 白菜中被定位于第6连锁群底部的DWF2基因(与株高有关)所在区域与拟南芥第2染色体的顶端区域同源, 并且DWF2可能与拟南芥RGA(repressor of ga1-3)基因同源(Muangprom and Osborn, 2004)。

芸薹属作物抗逆性也是比较研究的一个热点。Plieske和Struss (2001)在利用STS标记研究芸薹属作物对Phoma lingam的抗性时发现, 对该菌的抗病基因区域在黑芥和油菜中具有很高的共线性。K o l e等(2002a)通过对白菜抗白锈病QTLs区域与拟南芥比较作图发现, 该区域可能与拟南芥第5染色体的顶端或底部的含有抗病基因簇区段同源。最近, Mayerhofer等(2005)利用两个不同油菜群体对黑茎病苗期抗性进行了定位研究, 发现在两个群体中抗性位点都位于同一连锁群的同一区域, 并且该区域与拟南芥第1染色体末端存在同源区段。Suwabe等(2006)在白菜中鉴定了3个根瘤病抗性的QTLs (Crr1、Crr2和Crr4), 通过与拟南芥比较分析, 发现其中Crr1和Crr2都位于拟南芥第4染色体的一个区段内, 而拟南芥中的该区域则包含抗病基因簇MRCs, 因此推测白菜根瘤病抗性基因可能与拟南芥中的MRCs基因家族起源相同。

此外, 刘仁虎等 (2005)发现2个油菜菌核病抗(耐)性相关的QTL区域在拟南芥中存在相应的共线性区域,并初步推测处于QTL峰值区域的少数基因可能为先验基因。Kole等 (2002b)研究油菜和白菜型油菜的耐冻性QTL时发现, 这两种作物中也存在该性状的共线性区域。王丽侠等 (2002)发现油菜硼高效基因在油菜和拟南芥基因组目标区段内分子标记也呈共线性排列。

以上这些对特定农艺性状区域的比较研究初步表明, 在芸薹属作物之间以及芸薹属作物与拟南芥之间,控制同一性状的基因区域具有很高的共线性, 并且控制这些性状的基因可能是相同的, 具体结果尚需进一步验证。

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3.2序列水平的比较

芸薹属作物比较物理图谱的研究进一步表明, 芸薹属之间以及芸薹属与拟南芥之间的共线性普遍存在。但是,鉴于比较物理作图的局限性, 难以确定不同物种中基因组结构到底在多大程度上具有保守性。为此还需从更微观水平, 即序列水平上进行比较研究。

随着测序技术的提高和测序成本的降低, 越来越多的研究者选择从序列水平对芸薹属作物的共线性关系进行分析。Handa (2003)对甘蓝型油菜线粒体全基因组进行了测序, 并与拟南芥作了详尽比较, 发现甘蓝型油菜线粒体包含的基因几乎与拟南芥线粒体的完全一致, 并且编码序列非常保守, 但在非编码部分却变化较大。最近几年, Gao等 (2004, 2005, 2006)通过对甘蓝的BAC 克隆测序在序列水平上比较分析了甘蓝和拟南芥的共线性关系。2004年, Gao等对101 kb的甘蓝BAC克隆序列(包含23个基因)与拟南芥基因组进行了比较。结果发现, 位于第4染色体的拟南芥对应区域也包含了甘蓝上述基因, 并且这些基因在甘蓝与拟南芥中的排列顺序和方向完全一致。但是, 在拟南芥对应区域, 还存在分散分布在甘蓝基因组其它区域14个基因。2005年, Gao等又比较了长为96.7 kb、包含8个基因和15个转座子的甘蓝BAC序列与拟南芥的相似情况。该BAC 内的头2个基因Bo1和Bo2与拟南芥第5染色体末端对应(24 Mb), 第3个基因与拟南芥第5染色体的顶端对应(2.6 Mb)。另外5个基因(Bo4－Bo8)则集中分布在拟南芥同一染色体的7.7 Mb处。拟南芥的该对应区域含有15个基因, 这5个共同基因则是完全共线性的, 即在甘蓝中丢失了其余的10个基因。2006年, Gao等还对包含BoGSL-PRO基因的甘蓝BAC克隆B21F5进行测序,结果表明: 甘蓝的该BAC中包含了12个编码蛋白质的基因和10个转座子。而位于拟南芥第1染色体的对应区域, 共包含14个基因, 但没有转座子存在。此外, Town 等 (2006)对与拟南芥某一区域具有同源关系的3个甘蓝基因组片段进行了测序。与拟南芥比较发现, 35%的基因在芸薹属三倍体化的过程中丢失, 但丢失基因的类型不存在偏好性。以上这些对甘蓝BAC克隆测序结果与拟南芥的共线性分析, 均表明在甘蓝进化过程中发生了大量的基因水平和染色体水平的重组事件, 并且相对于拟南芥来说, 甘蓝在进化过程中发生了基因缺失现象, 进一步揭示了甘蓝和拟南芥共线性关系的复杂性。白菜与拟南芥序列水平的共线性分析也同样受到研究者的关注。韩国芸薹属基因组计划(The Korea Brassica Genome Project, KBGP)小组通过对白菜中5个同源的BAC克隆和1个拟南芥染色体区域序列的深入分析, 发现这两种植物至少具有82%的序列相似性,二者之间具有较为全面的共线性关系。在拟南芥和白菜分化之后, 白菜基因组经历了三倍化和随后的基因丢失过程(Yang et al., 2005)。Yang等 (2006)在白菜中也进行了与Town等 (2006)在甘蓝中相类似的研究。并且结果基本类似, 即: 与拟南芥相比, 白菜基因组在倍性化的过程中发生了基因缺失现象。

随着大规模基因组测序的发展, 比较基因组学在基因组分析和注释方面的强大功能已经初露端倪。Ayele等 (2005)对454 274条甘蓝基因组序列(总长为283 Mb)与拟南芥全基因组进行了比对, 总共鉴定了229 735个保守的拟南芥基因组序列(conserved Arabidopsis genome sequences, CAGSs)。去除与已知功能蛋白匹配的序列, 合并彼此相邻的CAGSs后,总共得到27 347个功能单元, 推测其中15 686个可能是新的保守单元。随机选取192个在cDNA中进行检测, 有58个呈阳性, 充分证实了比较基因组学在基因预测方面的作用。

4小结

从首次提出“不同植物物种的基因种类和顺序可能相似”的观点后, 植物比较基因组学已经取得了飞速发展, 其中芸薹属作物比较基因组学研究也取得了较大进展。通过在宏观共线性和微观共线性两个层次的比较分析, 已明确芸薹属作物之间存在广泛的共线性。并且大量研究表明, 芸薹属作物基因组内存在着多个拷贝的共线性区域, 支持芸薹属起源于多倍体祖先的假设。特别是芸薹属作物与拟南芥之间共线性关系的普遍存在, 对利用拟南芥信息研究芸薹属作物奠定了理论基础。Brown

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等 (2003)利用拟南芥和萝卜基因组之间的共线性关系,成功克隆了萝卜中的Rfo基因(育性恢复基因), 这充分说明了拟南芥信息在其近缘属中所具有的重要应用价值。但是也应认识到芸薹属中许多有重要经济价值的农艺性状都与拟南芥在形态结构、发育过程等方面存在很大差异。因此对许多重要农艺性状的分析不能仅仅依赖拟南芥的研究结果, 而应积极利用芸薹属丰富的遗传资源, 开展芸薹属的基因组学研究, 才能最终真正认识芸薹属独特的发育过程和形态结构。随着甘蓝和白菜全基因组测序工作的全面启动和完成, 将为我们深入认识芸薹属作物的起源和进化问题, 克隆芸薹属重要农艺性状基因等提供良好的契机。

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(责任编辑: 韩亚琴, 于昕)

Advances of Comparative Genomics in Brassica

Yuanyuan Li, Tingdong Fu, Chaozhi Ma *

The National Key Laboratory of Crop Genetic Improvement in Wuhan, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China

Abstract Brassica is the vital research focus of comparative genomics in dicotyledons, and great progresses have been made in Brassica comparative genomics over the past 15 years. Extensive macrosynteny and microsynteny have been found not only within Brassica but also between Brassica and Arabidopsis thaliana , which suggests the feasibility of transferring the informa-tion from Arabidopsis to Brassica . In addition, several copies of conserved syntenic regions exist in Brassica , which supports the hypothesis that of the Brassica diploid species are evolved from a hexaploid ancestor

Key words Brassica , comparative genomics, Arabidopsis, macrosynteny, microsynteny

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* Author for correspondence. E-mail: yyli@https://www.360docs.net/doc/5b12689142.html,