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比较基因组的方法已经广泛应用于植物基因组进化和基因功能等方面的研究。近年来,越来越多的禾本科植物完成了全基因组测序,为我们研究近期与长期的基因组区段的进化提供了良好的平台。Ghd7是水稻中影响产量性状的重要功能基因。对Ghd7同源区段的初步共线性分析表明,在玉米、高粱、二穗短柄草等禾本科植物基因组的同源区段上缺失了Ghd7的同源基因。为了揭示Ghd7在进化上的起源及其所处区段的进化历史,我们将来自稻属八个二倍体野生稻与已完成全基因组测序的两个亚洲栽培稻亚种、二穗短柄草、高粱及玉米进行了区段比较分析。
与之前研究的Moc1、Adh1和Hd1区域相比,Ghd7区域基因密度很低,而转座子含量很高,并且同源区段的长度变化十分明显。此外,由于Ghd7同源区段转座子的大量插入与重组,使得该区域假基因和基因转移出现的频率很高。Ghd7同源区域在稻属二倍体中具有很高的基因共线性,但是在非稻属物种中却出现了大量基因的缺失和插入。尤其是Ghd7只在稻属同源区段中存在,在二穗短柄草、高粱和玉米的同源区段中缺失。通过系统进化的方法我们在二穗短柄草、高粱和玉米中都找到了Ghd7的同源基因,只不过其在染色体上的位置在不同的亚科中都发生了变化。我们发现了二穗短柄草中Ghd7的直向同源基因(Bradi3g10010)的可能转移机制:由于转座子的插入造成了受体位点DNA双链断裂形成粘性末端,然后通过非法重组使得一段包含Bradi3g10010的序列参与了转座子两侧插入位点重复(TSD,target site duplication)的形成,从而造成了Bradi3g10010位置的改变。序列分析和细胞学实验都证明Ghd7位于水稻7号染色体的一个异染色质区域,该基因的调控很有可能与其所处异染色质环境相关。
通过分析Ghd7区域,并与基因密度较高的常染色质区域比较,我们认为在转座子含量很高的异染色质区域基因的共线性被严重破坏;Ghd7在禾本科不同亚科之间的位置变化以及该基因在不同地理部分的水稻株系之间的功能特征变化,反映了该基因突变的非致死性,能够容忍较为剧烈的变化;Ghd7在二穗短柄草中的转移机制暗示转座子等重复序列在基因及基因组进化中的重要作用;最后,由于Ghd7是一个位于异染色质区域的重要功能基因,对于该基因调控机理的研究可能有助于我们理解植物异染色质基因的调控模式。