The Plant Journal | 石河子大学生命科学学院李鸿彬/孟状团队甘草多倍体演化途径新发现

学术 2024-10-28 08:31 湖北

本研究以“Whole chromosome oligo-painting in licorice unveil interspecific chromosomal evolutionary relationships and possible origin of triploid genome species”为题，发表在植物学国际权威TOP期刊《The Plant Journal》（中科院1区TOP，五年影响因子7.1）。据悉本研究是该期刊建刊以来刊发的首篇中草药甘草染色体进化生物学研究领域文章，对甘草属植物起源演化和物种形成具有重要意义。值得一提的是，石河子大学生命科学学院孟状课题组本年度关于多倍体自然染色体畸变倾向性的研究已发表在园艺学国际顶级期刊《Horticulture Research》（中科院1区TOP，五年影响因子8.2），本次研究成果是课题组在染色体进化生物学研究领域的又一重要进展。

甘草是世界上最常用的中草药之一。在我国，甘草用药可追溯到远古时期，因其能“解百毒、调百药”故有“国老”的称号。南朝医学家陶弘景以“草景为众药之王，经方少有不用者”来赞叹甘草在药用方面的地位。甘草具有抗炎、抗病毒、抗菌、抗肿瘤、抗糖尿病等药用价值，因其本身带有甜味，在食品工业方面的应用也十分广泛。据悉，有关甘草的记载最早可追溯到公元前200年，甘草属遗传多样性丰富，组成十分复杂，到目前为止，国内外学者对甘草属种间染色体的特征、进化差异及物种形成仍知之甚少。染色体核型是物种染色体组成和进化研究的重要工具之一，比较核型分析依赖于单个染色体鉴定，但由于甘草染色体小，相似度高，使得传统细胞学方法难以区分单条染色体，这严重阻碍了甘草属种间染色体进化关系和物种起源演化研究。

图1甘草染色体特异涂染细胞学标记开发

有鉴于此，石河子大学生命科学学院李鸿彬教授团队孟状课题组通过生物信息学进行基因组定向设计，并结合新兴的寡核苷酸荧光原位杂交技术成功开发了首套可以在一个细胞中区分识别甘草所有染色体的特异性细胞学标记（图1）；利用该染色体识别体系历时两年时间成功解析了甘草属七个种的染色体核型特征和进化差异，研究证实了甘草属七个种在3-12百万年的独立分化过程中始终保持着极其保守的染色体共线性特征，表明甘草属植物保守的物种进化模式；同时研究还揭示了甘草属种间的染色体亲缘进化关系和独立分化后的染色体核型变异特征，并证实了平卧甘草是7种甘草中最接近祖先的甘草类型（图2）。

图2 甘草属种间染色体进化差异解析

此外，研究还首次发现了天然三倍体甘草，并揭示了三倍体甘草物种的起源和形成（图3）。该发现证实了自然界中甘草属物种不光是二倍体同时还存在多倍体平行演化途径，这一发现更新了我们对甘草属植物物种形成和起源演化的原有认知，同时为甘草的多倍体育种研究提供了可行性方案。研究将极大地有助于新疆甘草资源的高效利用与优异种质培育，为甘草产业发展提供有力支撑。

图3 三倍体甘草染色体特征鉴定及起源进化分析

石河子大学生命科学学院孟状副教授为论文第一作者兼通讯作者，孟状课题组硕士研究生郑仟为论文共同第一作者，石河子大学生命科学学院李鸿彬教授为论文的通讯作者。特别感谢美国密歇根州立大学蒋继明教授对本研究提出的宝贵修改意见。该工作主要得到了新疆维吾尔自治区“天池英才”青年博士人才项目(CZ001604)、兵团自然科学基金项目(2023AB052、2023CB008、2024DA021)、国家自然科学基金项目(32260083)、石河子大学高层次人才科研启动资金项目(RCZK202362)、石河子大学青年拔尖计划项目(BJZK202403)和胡杨河市科技项目(QS2023008)的资助。

第一作者兼通讯作者简介: 孟状，男，博士，石河子大学生命科学学院副教授，硕士生导师。国家自然科学基金青年基金获得者，新疆维吾尔自治区天池英才青年博士人才支持计划获得者，石河子大学青年拔尖人才计划入选者。主持国家级和省部级基金项目6项；主要从事植物染色体进化生物学研究，目前已在The Plant Journal, Horticulture Research, Theoretical and Applied Genetics, Industrial Crops and Products, The Crop Journal, Genome Biology, Plant Communication等国际著名SCI期刊上发表16篇文章，其中第一作者/通讯作者身份发表10篇。

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