2023年8月8日北师大核桃团队在BMC Biology期刊在线发表题为“Genomic insights into biased allele loss and increased gene numbers after genome duplication in autotetraploid Cyclocarya paliurus”的研究成果。

多倍化（Polyploidization）或者全基因组复制（Whole-genome duplication, WGD）是植物进化的一个重要过程，能够增加生物体的复杂性和进化的可塑性。同源多倍体由于多倍化过程不受杂交的干扰，是探究多倍化进化效应的理想材料。青钱柳（Cyclocarya paliurus）隶属核桃科（Juglandaceae）青钱柳属，是一个二倍体（2n=2x=32）和同源四倍体（2n=4x=64）共存的物种，该研究以青钱柳为研究材料，探究同源多倍体物种多倍化后基因组发生的结构和功能变化以及同源多倍体青钱柳的物种形成和适应性进化过程。

图1. 同源四倍体和二倍体青钱柳基因组的概况

研究团队组装了一个拆分等位基因的染色体水平的同源四倍体基因组和一个嵌合的染色体水平的二倍体基因组（图1）。发现同源四倍体青钱柳除了经历与核桃科其他物种共享的两次加倍事件（“Juglandoid WGD”和γ-WGT），还经历了第三次全基因加倍事件，加倍的时间约为120万年。四倍体青钱柳四套亚基因组之间以及同源四倍体和二倍体青钱柳的分化程度都较低。进一步发现同源四倍体基因组30.82%的基因发生了等位基因（allele）丢失，这些发生等位基因丢失的基因并不是随机分布，与结构变异、重复序列以及与其他基因的互作程度关。此外，还发现有些基因的等位基因在复制后数量大幅增加，富集发现这样的基因参与青钱柳的逆境应答过程。

该研究基于同源四倍体青钱柳和二倍体青钱柳的群体基因组学数据，发现同源四倍体和二倍体形成谱系特异的两组，推断同源四倍体青钱柳可能是单次起源，且两者之间的基因流较少。同源四倍体青钱柳不断发生种群扩张并且与二倍体的分化时间约为57万年（图2）。但其基因组上30%的区域表现出二体遗传，说明其正处在从四体遗传向二体遗传转变的过程中。同时四倍体中与减数分裂相关的基因受到正选择，说明即使是保守的减数分裂过程，多倍化后也发生了进化。

图2. 同源四倍体和二倍体青钱柳的种群聚类和种群进化历史

北京师范大学已毕业博士研究生禹瑞敏为论文第一作者，在读博士研究生张宁、庞晓旭、杨扬以及张博文博士等人为共同作者。白伟宁教授、庞尔丽教授和张大勇教授为该论文的共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划项目（2017YFA0605104）、国家自然科学基金项目（32170223和31421063）、“111”高校学科创新引智计划项目（B13008）、北京市高精尖项目的支持。

文章链接：https://bmcbiol.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12915-023-01668-1

2023年7月29日北师大核桃团队在Genome Biology and Evolution期刊在线发表题为“Genomic Analysis of Plastid–Nuclear Interactions and Differential Evolution Rates in Coevolved Genes across Juglandaceae Species”的研究成果。

叶绿体功能所需的大部分蛋白质在细胞核中编码，并被运输到叶绿体与叶绿体基因组及其产物相互作用。这种协调相互作用意味着当一种蛋白质在进化过程中发生变化时，自然选择也倾向于改变与其相互作用的蛋白质，以保持它们之间的协调（即质体-核共同进化）。因此，功能相关蛋白在不同物种间进化速率表现出相关的加速和减速，这被称为进化速率共变（Evolutionary Rate Covariation），简称ERC。除了探测已知的相互作用外，ERC还作为一种强大的工具来扫描整个基因组/蛋白质组，以检测以前未被识别的功能关系。植物中由于基因/基因组复制事件的普遍存在，进而导致对同源核基因的错误预测，使得ERC方法在植物中的应用受到限制。

该研究中利用胡桃科9个物种的染色体水平基因组，通过拆分显性和隐形亚基因组，尽可能降低了“hidden paralogues”的风险，对核桃科9个代表性物种的4,894个同源核基因和7个叶绿体partition进行ERC分析。胡桃科共找到1,369个（27.97%）核质共进化基因（hits），其中Ycf1/2 partition对应的hits最多（765个），而ClpP partition的hits最少（13个）。这些基因显著集中在叶片发育、光周期以及非生物胁迫反应等生物过程。AccD、ClpP1、MatK和RNA polymerase的partition及其相应的hits的dN/dS值小于1且变异较小；Ribosomal、Photosynthesis、Ycf1/2 partition及其对应的hits的dN/dS值变异范围较大，部分值大于1。该研究揭示了核桃科物种与七个叶绿体partition共同进化的候选核基因数量的差异，以及这些基因与其相应叶绿体分区的进化速率之间的联系，突出了ERC分析在揭示植物共同进化和功能基因方面的潜在价值。

北京师范大学在读博士研究生杨扬为论文第一作者，张大勇教授、俄勒冈州立大学Evan S. Forsythe和已毕业博士研究生丁亚梅为共同作者。白伟宁教授为该论文的通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划项目（2017YFA0605104）、国家自然科学基金项目（32170223和31421063）、“111”高校学科创新引智计划项目（B13008）、北京市高精尖项目的支持。

文章链接：https://academic.oup.com/gbe/article/15/8/evad145/7233612