趨同進(jìn)化是指不同的物種在適應(yīng)相近的生態(tài)位過(guò)程中發(fā)展了具有相似功能性狀的進(jìn)化過(guò)程，是生物適應(yīng)性進(jìn)化的重要證據(jù)。通過(guò)基因組數(shù)據(jù)來(lái)研究趨同進(jìn)化的分子機(jī)制已成為進(jìn)化基因組學(xué)研究的熱點(diǎn)。我校生命科學(xué)學(xué)院施蘇華教授課題組總結(jié)了近年來(lái)發(fā)表的趨同進(jìn)化基因組學(xué)研究論文，發(fā)現(xiàn)過(guò)往分析方法的假陽(yáng)性導(dǎo)致了研究人員對(duì)分子水平的趨同進(jìn)化進(jìn)行了過(guò)高的估計(jì)。課題組發(fā)展了準(zhǔn)確估計(jì)分子水平趨同進(jìn)化的方法，以多種紅樹(shù)植物為研究對(duì)象，闡明了紅樹(shù)基因組水平的趨同進(jìn)化機(jī)制。相關(guān)成果以觀(guān)點(diǎn)文章和原創(chuàng)研究論文的形式背靠背發(fā)表在最新一期National Science Review期刊上，并以當(dāng)期封面故事展示。
National Science Review 2020年第6期封面
（生長(zhǎng)在海岸潮間帶環(huán)境的兩種代表性紅樹(shù)植物：一株紅樹(shù)屬植物幼樹(shù)與一株海桑屬植物的呼吸根）
趨同進(jìn)化一直以來(lái)都是進(jìn)化遺傳學(xué)領(lǐng)域的核心問(wèn)題。近年來(lái)隨著基因組數(shù)據(jù)的快速產(chǎn)出，越來(lái)越多的研究試圖在全基因組上檢測(cè)趨同的氨基酸替代。然而在全基因組上同時(shí)存在著大量中性進(jìn)化條件下產(chǎn)生的趨同氨基酸替代，因此設(shè)置合適的對(duì)照組來(lái)估計(jì)中性趨同進(jìn)化的水平是檢測(cè)全基因組適應(yīng)性趨同進(jìn)化的必要前提。該觀(guān)點(diǎn)文章首先總結(jié)了目前已發(fā)表的在全基因組水平檢測(cè)趨同進(jìn)化的研究，發(fā)現(xiàn)這些研究雖然檢測(cè)到了一定水平的趨同進(jìn)化信號(hào)，但是由于缺乏合適的對(duì)照組，無(wú)法區(qū)分這些信號(hào)是中性的還是趨同適應(yīng)性的。文章進(jìn)一步以海洋哺乳動(dòng)物為例，重新計(jì)算了其趨同進(jìn)化水平，發(fā)現(xiàn)相比于作為對(duì)照組的陸生哺乳動(dòng)物，海洋哺乳動(dòng)物發(fā)生適應(yīng)性趨同進(jìn)化的氨基酸位點(diǎn)數(shù)量并沒(méi)有以往估計(jì)的那么高。全基因組上的趨同氨基酸替代數(shù)量實(shí)際上相當(dāng)少，低于可顯著檢測(cè)出的水平。文章建議在檢測(cè)全基因組趨同進(jìn)化時(shí)，設(shè)置合適的實(shí)證對(duì)照以及選擇生境相同的生物類(lèi)群十分必要。
紅樹(shù)植物是生長(zhǎng)在海岸潮間帶環(huán)境的木本植物，包含了不同分類(lèi)類(lèi)群的數(shù)十個(gè)物種，是研究適應(yīng)性趨同進(jìn)化的極佳對(duì)象。課題組選擇了三個(gè)主要的紅樹(shù)植物類(lèi)群共16種代表性的紅樹(shù)物種，進(jìn)行了全基因組或轉(zhuǎn)錄組測(cè)序組裝，在全基因組水平檢測(cè)趨同進(jìn)化。通過(guò)系統(tǒng)發(fā)育分析發(fā)現(xiàn)三個(gè)紅樹(shù)植物類(lèi)群起源的時(shí)間十分接近，共同經(jīng)歷了歷史上海平面的升降，并逐步適應(yīng)潮間帶環(huán)境。論文進(jìn)一步發(fā)展了準(zhǔn)確估計(jì)分子水平趨同進(jìn)化的方法，以陸生植物為對(duì)照，通過(guò)檢測(cè)趨同氨基酸替代的方法，成功收集到70多個(gè)在紅樹(shù)植物中趨同進(jìn)化的基因。此外還發(fā)現(xiàn)紅樹(shù)植物更多的趨同進(jìn)化發(fā)生在氨基酸組成和氨基酸替代模式的改變。相比于陸生植物，紅樹(shù)植物趨同地改變了9種氨基酸的使用頻率，更多地發(fā)生了平常少見(jiàn)的氨基酸替代模式。這種氨基酸組成的趨同進(jìn)化有助于紅樹(shù)植物適應(yīng)高鹽、動(dòng)蕩且營(yíng)養(yǎng)貧瘠的海岸潮間帶環(huán)境。這項(xiàng)研究通過(guò)合適的物種選取、大量的基因組數(shù)據(jù)和完備的對(duì)照組設(shè)置，首次真正在基因組水平上準(zhǔn)確地檢測(cè)出趨同氨基酸替代位點(diǎn)。
我校生命科學(xué)學(xué)院施蘇華教授為論文通訊作者，何子文副教授與徐紹華、張璋博士后研究員為論文共同第一作者，我校生命科學(xué)學(xué)院為第一和通訊作者單位。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)和面上項(xiàng)目、科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金、中國(guó)博士后科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：
He Ziwen, Xu Shaohua, Shi Suhua. Adaptive convergence at the genomic level—prevalent, uncommon or very rare? Natl Sci Rev. 2020, 7(6):947–951.
https://academic.oup.com/nsr/article/7/6/947/5824675
He Ziwen, Xu Shaohua, Zhang Zhang, et al., Shi Suhua. Convergent adaptation of the genomes of woody plants at the land–sea interface. Natl Sci Rev. 2020, 7(6):978–993.
