DNA 時間戳揭示了草莓的驚人起源

一項新研究提供了一種全基因組方法來解開這些複雜的遺傳歷史。此方法利用了長逆轉錄病毒載體（一種移動 DNA 序列）所留下的演化特徵。透過比較染色體上這些元素之間的相似性模式，研究人員可以識別不同的亞基因組並估計主要基因組融合事件何時發生。當應用於栽培的八倍體草莓時，該技術揭示了由多輪多倍體形成的逐步進化歷史，為複雜的植物基因組如何在數百萬年中形成和多樣化提供了新的見解。

為什麼多倍體基因組如此難以破解？

全基因組複製在植物演化中發揮了重要作用，有助於推動創新、適應和許多作物物種的出現。在多倍體植物中，染色體組源自於不同的祖先基因組。這些染色體組（稱為亞基因組）在原始雜交事件發生後很長一段時間內繼續進化和相互作用。

識別這些亞基因組對於理解物種如何演化至關重要。傳統方法通常依賴將多倍體基因組與已知的二倍體祖先進行比較。問題是許多祖先物種要么已經滅絕，要么尚未被承認。

可移動的物品提供了另一個資訊來源。長逆轉錄轉座子在特定的演化譜系中以不同的模式積累，保留了過去事件的分子證據。儘管科學家早就認識到它們的潛在價值，但將這些模式轉化為準確的亞基因組圖譜的可靠方法仍然有限。因此，需要新的工具來重建多倍體基因組的演化，而不依賴已知的祖先物種。

一種重建基因組歷史的新方法

美國農業部和合作機構的研究人員在期刊中描述了這種工具 園藝研究。該團隊開發了一個生物資訊學框架，能夠重建複雜多倍體基因組的演化歷史。

為了說明這種方法，他們重新檢查了栽培的八倍體草莓（Fragaria × ananassa）。研究人員利用長逆轉錄病毒載體建構的序列相似性矩陣，闡明了草莓亞基因組的結構，並發現了幾個促成現代物種的古老基因組融合事件。這些發現有助於解決有關草莓進化起源的長期存在的問題。

這個框架遵循基因組演化的三個主要階段：祖先物種分化之前、它們各自的演化歷史期間以及它們的基因組合併之後。在分歧期間擴展的逆向載體保留了特定亞基因組的獨特特徵。

透過計算這些元素在染色體上的相似性矩陣並檢查它們如何在不同的相似性閾值下聚類，研究人員創建了他們所謂的「序列相似性矩陣」。這種方法捕捉了不同時期累積的演化訊號。

在農作物中測試方法

在將這項技術應用於草莓之前，研究團隊在經過充分研究的多倍體作物（包括畫眉草和棉花）中進行了測試。在這兩種情況下，該方法都成功區分了已知的亞基因組和多倍體前後發生的離散事件。

研究人員也使用人工多倍體基因組評估了該方法。這些測試證實此方法對分歧時間和轉座元件的豐度都很敏感。

草莓基因組揭示了什麼

當這種方法應用於二倍體草莓時，它鑑定出了四個不同的亞基因組，並揭示了大約3.1至420萬年前、1.9至310萬年前和0.8至190萬年前發生的三個連續多倍體事件的證據。

結果支持兩個草莓亞基因組和物種之間密切的演化關係 草莓 和 草莓。同時，這些結果挑戰了先前提出的額外二倍體祖先物種的模型。

根據分析，草莓基因組的一些貢獻者可能已經滅絕或尚未被採樣，這凸顯了多倍體基因組演化的複雜性。

「這項工作展示了轉座元件如何充當嵌入植物基因組中的進化時間戳，」該研究的一位資深作者說。 「透過關注這些元素擴展的時間和地點，即使直接祖先參考缺失，我們也可以重建基因組歷史。這種方法為研究多倍體作物提供了一個強大的新鏡頭，超越了對不完整祖先數據的依賴，為進化基因組學提供了一個更客觀和可重複的框架。”

對作物研究和育種的影響

潛在的應用範圍不僅限於草莓。許多經濟上重要的作物，包括小麥、棉花和甘蔗，都是多倍體，並且有著類似複雜的演化歷史。

更精確地識別亞基因組可以改善基因註釋、性狀作圖和比較基因組研究。這些發展反過來又可以支持精準育種工作並有助於加速作物改良。

透過在沒有已知祖先的情況下重建基因組的演化成為可能，序列相似性矩陣方法為研究生物多樣性、系統發育和適應增加了一個有價值的新工具。該框架也可用於其他複雜多倍體生物的研究，有助於將演化生物學與實際農業研究連結起來。

這項工作得到了國家糧食和農業研究所 (NIFA)-特種作物研究計劃 (SCRI) 的支持，撥款 2022-51181-38241 給 Q.Y.