昆明植物所山茶属种内和种间基因组大小变异研究获进展

昆明植物研究所.2013-06-28

植物细胞核是携带绝大部分遗传物质的主要载体，细胞核的DNA含量（DNA content）通常被用来估算物种的基因组大小 (genome size)，后者与生物体许多重要生理生态特征密切相关，如细胞体积、叶片大小和耐寒性等。物种基因组大小变异式样与进化机制是进化生物学家长期关注的重要的理论问题。生物界不同物种的基因组大小差异可以达到5-6个数量级，其中被子植物间差异可达2000倍。通过测定细胞核内DNA含量来估算物种基因组大小进而开展物种倍性研究，能够为物种的分类鉴定以及基因组的进化研究提供十分重要的佐证。

山茶属是山茶科中包含许多举世闻名经济植物的一个重要类群，包括为人类提供天然保健饮料的茶（Camellia sinensis var. assamica 和C. sinensis var. sinensis）；健康型高级食用植物油的油茶（C. oleifera）以及观赏花卉云南山茶（C. reticulata）、金花茶（C. petelotii）等。然而，迄今为止，山茶属植物遗传学与基因组学研究背景相当薄弱，频繁的种间杂交和多倍化也导致其分类鉴定与系统发育研究十分困难。但是，山茶属无疑是开展植物基因组大小变异与进化研究的理想模式。

在中国科学院“百人计划”、云南省高端人才项目、云南省海外高层次引进计划和国家自然科学基金的联合支持下，中国科学院昆明植物研究所国家大科学装置中国西南野生生物种质资源库植物种质资源与基因组学研究中心高立志课题组从2006年以来，利用流式细胞分析兼以全基因组测序的k-mer 分析，对山茶属中的重要类群进行了系统深入的研究。鉴于山茶属植物次生代谢产物丰富，该研究克服重重困难，在摸索并改良了实验方法后第一次利用已经完成全基因组测序的玉米品种（Zea may L. cv. B73）为内标，获得了山茶属茶组中大叶茶（C. sinensis var. assamica）的基因组大小，估计约为1C = 3.01 pg（2940 Mb）。

研究人员进一步较为全面地估计和比较了17个不同地理来源的大叶茶品种、茶组31种（张宏达分类系统）或11 种（闵天禄分类系统）、两个山茶属分类系统共同认可的山茶组53 种以及来自山茶属其它13 个组（张宏达系统）或10 个组（闵天禄系统）的38个代表种的基因组大小变异。统计分析的比较结果发现，山茶属中无论种内还是种间均存在着基因组大小的变异。大叶茶种内的变异较小，低于同等二倍体水平上茶组物种间的变异；山茶组物种间的基因组大小变异较大，与该组内的倍性变化密切相关；山茶属不同组物种间的基因组大小变异式样较为复杂，除了该属中频繁的种间杂交以外，可能由于多倍化现象推动了山茶属核DNA含量在进化过程中呈现出逐渐增加的进化趋势。我们得到的结果不仅为目前开展的山茶属植物比较基因组学研究提供了重要信息，也为山茶属物种分类、系统发育与进化研究提供了重要依据。

上述研究结果以Genome size variation among and within Camellia species by using flow cytometric analysis为题发表在《公共科学图书馆－综合》（PLoS ONE）上。