武汉植物园揭示植物全基因组加倍后影响基因重复表达分化与长期保留的重要因素

　　

近期，中国科学院武汉植物园与比利时根特大学发表在The Plant Cell上的一项研究揭示了基因剂量敏感性如何影响植物基因组加倍后基因重复的表达分化和基因演化寿命。

在植物演化中，全基因组加倍或多倍化（WGD）事件普遍且频繁，如模式植物拟南芥自被子植物起源以来就经历了多次。这些WGD事件产生的功能冗余基因重复或复制基因为物种进化提供了遗传材料，有助于物种适应环境和多样化。然而，在长期分化过程中，大量WGD基因重复演化寿命较短，常丢失一个拷贝。幸存的大多WGD基因重复拷贝间表达水平各异，但部分拷贝间保持高度相似（平衡）的表达。基因剂量平衡假设认为，为维持蛋白质复合体亚基或互作蛋白质的化学计量比，选择压力作用于基因间相对拷贝数。这解释了为何编码这些蛋白质的基因在WGD后能长期存留，拥有较长演化寿命。然而，最终决定化学计量比的是基因表达产物的量。因此，自然产生一个问题：基因剂量平衡的选择压力是否也作用于或约束着基因重复两拷贝间表达水平的分化（图1）？

为回答这一问题，该研究聚焦于睡莲、莲和石菖蒲这三种自被子植物起源以来仅经历一次全基因组加倍事件的植物，以此确保分析的WGD基因重复主要源自同一事件，排除复制时间差异导致的基因重复间分化。研究分析了WGD基因重复的表达量差异，并揭示了这些差异与可能相关的基因属性（如蛋白质-蛋白质相互作用数、基因长度、缺失致死表型评分、组织表达特异性等）之间的显著相关性，表明基因重复拷贝间的表达水平差异/平衡程度与基因剂量平衡紧密相关。

为进一步验证这些平衡表达的基因重复在拷贝数演化上更符合剂量平衡效应，研究对25个代表性被子植物基因组中的基因家族拷贝数随WGD事件次数变化进行了相关性分析，发现拷贝间平衡表达的基因重复其直系同源基因的拷贝数更符合WGD发生次数的预期，即演化上更易于长期保留。此外，研究还发现，在WGD基因重复对中，表达量较低的拷贝在莲属植物物种间分化过程中更易发生顺式和反式的表达分化，甚至更易产生功能丧失。这些发现加深了我们对植物基因组，特别是多倍化后植物演化的理解。

研究成果以“Dosage sensitivity shapes balanced expression and gene longevity of homoeologs after whole-genome duplications in angiosperms”为题发表在国际期刊The Plant Cell上。武汉植物园水生植物生物地理学科石涛研究员为共同第一和共同通讯作者、高志妍助理研究员为共同第一作者，比利时根特大学Yves Van de Peer教授为共同通讯作者。武汉植物园陈进明研究员参与该工作。该研究得到了国家自然科学基金面上项目（32170240）和湖北省自然科学基金青年项目（2024AFB314）的资助。

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图1. 基因重复拷贝间表达是否平衡与蛋白质-蛋白质相互作用数量等剂量敏感性特征之间的关系示意图。

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