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首页 华大概况 新闻中心 集团动态 “千种植物转录组”揭示绿色植物十亿年进化历程

“千种植物转录组”揭示绿色植物十亿年进化历程

发布日期:2019/10/24 浏览次数:

        2019年10月24日,国际顶级学术期刊《自然》(Nature)在线发表了题为“One thousand plant transcriptomes and the phylogenomics of green plants”的文章。来自世界各地近200名植物科学家组成的“1KP(千种植物转录组)”国际联盟,历时9年,发布了1,178种植物转录组测序成果。


Nature官网截图


        千种植物转录组计划是一项旨在研究所有绿色植物超过十亿年的物种、基因和基因组多样化的全球合作科学计划。1KP项目于2008年11月启动,采取向全球植物学家征集样本,由华大(BGI)测序,所有数据开放共享的合作模式。该项目的数据存储于深圳国家基因库生命大数据平台(China National GeneBank DataBase,CNGBdb)。通过整合元数据、序列和在线工具,1KP数据库(https://db.cngb.org/onekp/)提供免费查询、下载以及在线Blast服务。除了1KP数据库,CNGBdb还构建了万种鸟基因组(B10K)、千种鱼转录组(FishT1K)等专业数据库,以上资源均可通过CNGBdb官网(https://db.cngb.org/)进行访问并免费使用。

        “万物藉生命之树相连”加拿大阿尔伯塔大学生物科学系教授Gane Ka-Shu Wong说道:“生命之树原可溯,地球万物理相通;基因测序建头功。”

        该研究成果,揭示了包括全基因组复制以及基因家族的起源、扩张和收缩所导致的根本性的基因创新事件发生的历史,这些创新促成了绿藻、苔藓、蕨类、松柏类、有花植物及其他所有绿色植物分支的进化。这些一年生作物和多年生树木获得生长、结籽、开花和结实能力的过程与机制为充分了解地球植物多样性提供了蓝图。

         “通过重建现生绿色植物的系统发育关系,我们认识到约十亿年前,一个类似绿藻的祖先物种分化成两个分支,一支包含有花植物、其他陆地植物和近缘藻类,另一支则包含各种绿藻,植物进化的历程常常被关键创新和快速分化时期所间断,”佐治亚大学富兰克林艺术与科学学院植物生物学教授,亦是该研究的共同通讯作者James Leebens Mack说道:“为了建立起基因和基因组进化方面的已知信息与日益增长的对开花植物、苔藓和藻类生物基因功能的了解的关联,我们需要产生新数据以便更确切地反映所有绿色植物分支之间的基因多样性。”

        1KP的推动得益于集体的努力,在全球范围内收集和测序了陆生和水生生境的多种植物。逾百名分类学专家贡献了野生和栽培活植物的材料,包括德国中央藻类繁育保藏中心、英国邱园、英国爱丁堡植物园、中国科学院华南植物园、深圳仙湖植物园、美国亚特兰大植物园、纽约植物园、佛罗里达自然历史博物馆、杜克大学、不列颠哥伦比亚大学植物园以及加拿大阿尔伯塔大学。通过广泛的取样、测序和分析,科研人员能够更有效地重建所有作物和模式植物祖先物种中的基因信息,并更全面地了解基因和基因组复制等进化创新。

        十年前,Gane K.-S. Wong教授通过Somekh家族基金会的私人基金、阿尔伯塔政府的支持以及华大的测序支撑启动了1KP项目。该项目投入运行后,进一步获得了来自包括美国国家科学基金会资助的iPlant项目(现更名为CyVerse,https://www.cyverse.org/)等更多项目的资源支持。

        1KP宏大的愿景为序列组装和系统发育分析计算工具的进一步开发和完善提出了新的挑战。
Gane K.-S. Wong教授解释说:“华大的软件工程师开发了新算法,用以组装该项目生成的海量测序数据。”伊利诺伊大学的计算机学家Tandy Warnow和加州大学圣地亚哥分校的Siavash Mirarab开发了新算法,用以重建超过一千个物种的数百个基因序列矩阵的系统发育关系,并揭示出基因组进化历史间显著的异质性。

        纵贯整个绿色植物生命之树的244个全基因组复制事件的年代是这个项目的另一个焦点。


        “藻类几乎不存在全基因组复制亦或是我们得到的最令人震惊的结果,” 亚利桑那大学生态与进化生物学副教授Mike Barker说道:“基于对植物基因组的近20年研究,我们发现有花植物基因组平均含有近四次祖先基因组复制的痕迹,可追溯到3亿多年前所有种子植物的共同祖先。我们还在蕨类植物中发现了多次基因组复制事件,但是几乎没有证据表明藻类的基因组中存在增倍事件。”


        除基因组复制之外,关键基因家族的扩张也促进了绿色植物的多细胞化和复杂化。


        “基因家族通过复制而扩张,进而加速了绿色植物生命之树中类群的形态和功能多样化。”共同作者之一、德国哈勒大学作物生理学教授Marcel Quint说:“此类扩张始于登陆进程中,甚至远在登陆之前,为包括种子形成以及后期花的起源等各项进化创新奠定了基础。”


        共同作者之一,佛罗里达大学和佛罗里达自然历史博物馆的Pam Soltis说:“1KP的研究成果中揭示的进化关系,将为绿色植物关键结构和重要过程的起源提出新的假说。”

        华大集团首席执行官、华大生命科学研究院院长徐讯表示:“1KP联盟近十年的努力证明了多学科合作的重要性,而基因组数据为探索和理解自然界提供了基础。”


文章链接:https://www.nature.com/articles/s41586-019-1693-2


原文作者:

Alan Flurry (aflurry@uga.edu), 美国佐治亚州雅典市佐治亚大学。
Katie Willis (kewillis@ualberta.ca), 加拿大阿尔伯塔省埃德蒙顿市阿尔伯塔大学。