科学家利用剂量敏感基因追溯被子植物和种子植物祖先多倍化事件

全基因组加倍/多倍化（WGD）在种子植物和被子植物的起源与性状演化中扮演关键角色，但WGD遗传痕迹易被二倍化过程中的基因丢失、染色体重排和基因同义替换饱和掩盖，因此，追溯这些远古多倍化事件面临技术挑战。此前，有学者基于单子叶植物和双子叶植物分化前基因重复年龄的双峰分布，发现种子植物和被子植物祖先各经历了一次独立的WGD事件，并命名为ζ事件和ε事件。但此后研究表明，该双峰信号可能并非真实的演化事件，而是源于分子定年分析过程中存在的校准偏差——仅校准了代表单/双子叶植物分化的两个同源节点之一，而另一个未被校准，从而导致争议持续未决。

为厘清被子植物与种子植物祖先的多倍化历史，中国科学院武汉植物园等团队引入“剂量敏感基因”作为古老WGD检测的演化标记。这类基因是编码蛋白复合体、信号通路或调控网络的核心组分，其表达剂量变化易破坏细胞内化学计量平衡，因此在WGD事件后被优先保留。研究采取已知经历不同WGD次数的代表性被子植物，并对其直系同源基因家族（OGs）进行分析，基于观察OG拷贝数与WGD后预期拷贝数之间的相关系数，来量化OGs的相对剂量敏感性，将OGs分为A（高敏感）到D（低敏感）四组，进而评估OGs在WGD后的保留模式。研究验证了相对高敏感性基因在WGD检测中的优势：它们表现出更强的纯化选择、更广泛的蛋白质互作、更高的组织表达广度，且在已知WGD事件中呈现更明显的同义替换峰值，这印证了其作为可靠WGD演化标记的潜力。

研究进一步利用剂量敏感性较高的直系同源基因家族，整合基因树—物种树协调、基因拷贝数相关性分析与概率保留模型三类证据，并对被子植物和种子植物祖先是否存分别存在WGD进行检验。无油樟和流苏马兜铃是已知在被子植物起源后未再经历额外的WGD事件的两种植物。研究结果显示，在无油樟与马兜铃中，仅检测到一个明显的古老基因重复峰，对应种子植物祖先的WGD（ζ事件），而预期中代表被子植物祖先WGD（ε事件）的年轻重复信号微弱，其基因重复节点比例明显低于理论预期。基因计数相关性与概率建模表明，剂量敏感性较高的直系同源基因家族，在ζ事件中基因重复保留率较高，而在ε事件中的基因重复保留率低，难以支持ε事件作为一次独立WGD存在。因此，剂量敏感基因的演化轨迹揭示，种子植物祖先共同经历了一次WGD，而被子植物起源过程中可能并未发生额外的WGD事件。

相关研究成果发表在《科学进展》（Science Advances）上。研究工作得到国家自然科学基金委员会等的支持。

原文链接

不同剂量敏感性的直系同源基因家族在被子植物祖先（ε）与种子植物祖先（ζ）节点的基因重复事件频率比较。