芸薹属油菜类作物细胞质基因组单倍型的精细解析及其协同进化分析

The cytoplasmic DNA in higher plant consists of cpDNA and mtDNA. The Brassica oilseed crops mainly contain B. napus, B. rapa and B. juncea. In our previous study, we identify the cpDNA diversity in B. napus at populational level. A novel cpDNA haplotype (Bncp1) was identified to be predominantly present in worldwide B. napus population by haplotype analysis. To further dissect the originating mechanism and evolutionary force of Bncp1 cytoplasmic DNA type, in this study we will employ High-Resolution Melting (HRM) technology to finely determine both the cpDNA and mtDNA haplotypes in the Brassica multi-species populations. The genome-wide polymorphic data of more than 50 cytoplasmic DNA haplotypes are planned to be identified through high-throughput sequencing of the respective representative materials. Then the co-evolutionary patterns between cpDNA and mtDNA will be carefully elucidated based on these data. Meanwhile, the preliminary analyses of the cytonuclear co-evolutionary patterns will also be performed based on the polymorphic data of certain coding genes, whose proteins function as the respective essential subunits of RuBisCO and NADH complex I. The rapeseed germplasm enhancement and genetic improvement can benefit a lot from the obtained results.

高等植物的细胞质基因组包含叶绿体DNA（cpDNA）和线粒体DNA（mtDNA）。芸薹属作物主要包含甘蓝型油菜、白菜和芥菜等物种。前期我们在群体水平鉴定了甘蓝型油菜cpDNA的遗传多样性，单倍型分析发现全球来源的甘蓝型油菜群体拥有一种来源未知的cpDNA主单倍型（Bncp1）。为进一步探究Bncp1主细胞质类型的起源机制和进化动力，本项目将借助高分辨率溶解曲线（HRM）方法，在芸薹属多物种群体内对cpDNA和mtDNA的单倍型同时进行高精度解析。将高通量测序约50份细胞质基因组的单倍型DNA，获取它们的自然变异信息，进而分析cpDNA和mtDNA在芸薹属内的协同进化模式。并借助RuBisCO（叶绿体中）和NADH 脱氢酶复合酶（线粒体中）复合体亚基的核-质基因组分别编码的基因序列信息，初探油菜类作物的核质协同进化模式。研究结果预期能对油菜种质创新和遗传改良在理论和技术方面提供有力指导。

芸薹属（Brassica）主要包含白菜、甘蓝和黒芥三个二倍体，以及由它们杂交演化而来的三个异源四倍体作物（甘蓝型油菜、芥菜型油菜和埃塞尔比亚芥），他们都是世界范围内广泛栽培的蔬菜、油料或装饰类作物。至今，有关甘蓝型油菜（Brassica napus）的具体起源进化机制和芸薹属内的各种间关系目前还存在诸多未知和疑惑，在一定程度上限制和阻碍了芸薹属作物的种质创新和遗传改良，在当前先进的基因组测序时代很有必要对其开展进一步的深入研究。我们借助二代高通量测序技术对72份以甘蓝型油菜为核心的代表性材料同时进行了叶绿体和线粒体基因组的深度测序。提取了两套细胞质全基因组层面的序列变异信息，较为详尽地解析了芸薹属作物细胞质基因组的遗传多样性和各细胞质单倍型的归属分布。依托所获取基因组序列信息分别构建了种内、属内和属间的系统发育进化树。结果显示芥菜型油菜和埃塞俄比亚芥的母体起源亲本分别为Cam类型的白菜型油菜和黒芥，而天然的甘蓝型油菜则具有多个母体起源亲本。其Cam类型亲本则直接来源于白菜型油菜，Polima类型可能进化自Cam或Sarson类型的白菜或直接来源于Polima类型的白菜。Nap类型在自然群体中占比87.1%，是最为重要的甘蓝型油菜胞质类型，前期的研究显示关于其来源有栽培甘蓝等多种说法。基于叶绿体和线粒体基因组的芸薹属内的进化关系发现Nap类型和一小部分稀有的C基因组野生物种聚集在一起，处于B. insularis 和B. villosa之间。暗示Nap胞质很有可能来自C基因组的某一个野生物种，另外一个方面也说明即该野生物种也贡献了大部分甘蓝型油菜的C亚基因组。Raphanus, Sinapis, Eruca和Moricandia四个属被发现与芸薹属呈现出一种交叉融合的协同进化关系。在自然材料中叶绿体和线粒体基因组都保持着严格的协同进化关系，但在mori和nsa等细胞质不育系油菜中则出现了严重的进化分歧，实际上是在人为创制这些材料的过程中供体与受体亲本间的线粒体基因组发生了规模化的重组变异。该项研究中所得出的上述结论及所获取的单倍型及变异信息有望用于指导种质创新及育种改良。

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