芸苔属多倍体植物基因表达的转录后调控与进化研究

Hybridization and polyploidization poly important roles in driving genetic diversification and redundant genomic architecture of plants, and they are important evolutionary forces in plant evolution and speciation, especially in angiosperms. The success of angiosperms has been attributed to innovations associated with gene or whole-genome duplications. Following the merger of divergent genomes, genome shock and transcriptom shock take place in newly formed allopolyploid. After the complicated regulations at chromosome, genome, gene structure and gene expression level, the stable polyploids were formed, which has evident organ, tissue, cellular and physiological traits, and could survival in natural habits, but the regulatory mechanisms for gene structure and expression alteration in allopolyploids are not clear. Based on the genomic studies on Brassica allopolyploids, the present project will analyze the whole-genome wide expression of mRNA and small RNA in these natural and artificially synthesized allopolyploids and their parent species by deep-sequencing (RNA-Seq) protocol, and reveal regulatory effects of alternative splicing and translational inhibition to target genes by miRNA. Then, we will analyze the alternative polyadenylation of some developmental and adaptation related genes and reveal the regulatory roles of 3'UTR diversity by mRNA processing. This project will make new progress in understanding the complicated mechanisms of polyploid formation and evolution.

植物的杂交和多倍化增加了基因组多态性，产生遗传冗余，为植物变异、进化与适应奠定了重要基础，已成为被子植物进化与物种形成的重要驱动力。多倍体中来自不同物种基因组的融合，产生明显的"基因组冲击"、"转录组冲击"，经过染色体、基因组、基因表达等不同层次复杂调控后，最终导致形成器官、组织、细胞、生理等特性稳定、具有生长、适应优势的多倍体植物，但关于其基因结构与功能调控的机理我们所知甚少。鉴于此，本项目拟在芸苔属多倍体植物基因组研究的基础上，采用高通量RNA测序（RNA-Seq）技术，分析不同倍性多倍体植物及其亲本全基因组规模mRNA、小RNA表达情况，揭示可变剪接所产生的转录本多样性、miRNA对靶基因的调控，并对若干重要生长发育、抗逆相关基因的选择性多聚腺苷酸化进行分析，阐明3'UTR多态性的调控情况，最终确定各种转录后调控方式所发挥的作用，在多倍体植物形成与进化的复杂机理研究方面取得新的进展。

本项目对芸苔属六倍体及萝卜芥蓝异源四倍体植物的基因及小RNA表达调控、蛋白质组动态变化、pre-mRNA选择性剪接模式及3'UTR多样性、直系同源基因的启动子甲基化和表达模式进行了较深入研究。.研究发现芸苔属六倍体与其亲本之间共有618个miRNA差异表达，六倍体中下调表达的miRNA的相关靶基因显著富集应激反应功能组。在芸苔属多倍体中425个miRNA非加性表达，而且其靶基因显著富集代谢过程、细胞过程、应激反应以及多机体过程等功能组。.在芸苔属六倍体与其亲本中共鉴定出2044个蛋白质，其中452个蛋白在六倍体与其亲本之间差异表达，而且100个蛋白在芸苔属六倍体中非加性表达， 311个蛋白质表现出亲本表达水平显性，六倍体中的蛋白质更倾向于具有埃塞俄比亚芥表达水平显性。发现一些基因的mRNA表达水平的变化与其对应蛋白质表达水平的变化不一致。.萝卜-芥蓝四倍体与其亲本共鉴定出3,605个lncRNA的表达，在母本萝卜和四倍体中，我们发现了1,442个差异表达lncRNA，父本芥蓝和四倍体中则发现了958个差异lncRNA。在miRNA-lncRNA互作网络共发现了125个匹配对，共表达基因在细胞膜、应激反应、催化作用等通路中显著富集，说明共表达的基因可能参与了多种生物合成的过程。 .对萝卜-芥蓝四倍体植物与亲本的选择性剪接模式进行分析，在萝卜和芥蓝中分别鉴定出了17296和14963个选择性剪接基因，在四倍体的萝卜、芥蓝亚基因组上分别鉴定出12032和10892个选择性剪接基因。萝卜-芥蓝四倍体与亲本相比总共有12494个基因pre-mRNA的选择性剪接发生了转录本数量的变化，这些差异的选择性剪接基因参与到了植物生长、发育和应激等生物过程。本研究还克隆到全长CDS和3ʹ UTR，发现四倍体中萝卜同源的RsSR30基因有5种转录本，其表达量和转录本选择性剪接方面都发生了改变。.本项目对多倍体植物基因表达的转录后调控分子机理方面进行了较深入研究，发表6篇SCI源刊论文和2篇中文期刊研究论文，培养博士研究生5名（其中3人已毕业获得学位）、硕士研究生4名（其中3人已毕业获得学位），按计划完成了项目任务。

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