趨同進化是指不同的物種在適應相近的生態(tài)位過程中發(fā)展了具有相似功能性狀的進化過程，是生物適應性進化的重要證據(jù)。通過基因組數(shù)據(jù)來研究趨同進化的分子機制已成為進化基因組學研究的熱點。我校生命科學學院施蘇華教授課題組總結了近年來發(fā)表的趨同進化基因組學研究論文，發(fā)現(xiàn)過往分析方法的假陽性導致了研究人員對分子水平的趨同進化進行了過高的估計。課題組發(fā)展了準確估計分子水平趨同進化的方法，以多種紅樹植物為研究對象，闡明了紅樹基因組水平的趨同進化機制。相關成果以觀點文章和原創(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，并以當期封面故事展示。
National Science Review 2020年第6期封面
（生長在海岸潮間帶環(huán)境的兩種代表性紅樹植物：一株紅樹屬植物幼樹與一株海桑屬植物的呼吸根）
趨同進化一直以來都是進化遺傳學領域的核心問題。近年來隨著基因組數(shù)據(jù)的快速產(chǎn)出，越來越多的研究試圖在全基因組上檢測趨同的氨基酸替代。然而在全基因組上同時存在著大量中性進化條件下產(chǎn)生的趨同氨基酸替代，因此設置合適的對照組來估計中性趨同進化的水平是檢測全基因組適應性趨同進化的必要前提。該觀點文章首先總結了目前已發(fā)表的在全基因組水平檢測趨同進化的研究，發(fā)現(xiàn)這些研究雖然檢測到了一定水平的趨同進化信號，但是由于缺乏合適的對照組，無法區(qū)分這些信號是中性的還是趨同適應性的。文章進一步以海洋哺乳動物為例，重新計算了其趨同進化水平，發(fā)現(xiàn)相比于作為對照組的陸生哺乳動物，海洋哺乳動物發(fā)生適應性趨同進化的氨基酸位點數(shù)量并沒有以往估計的那么高。全基因組上的趨同氨基酸替代數(shù)量實際上相當少，低于可顯著檢測出的水平。文章建議在檢測全基因組趨同進化時，設置合適的實證對照以及選擇生境相同的生物類群十分必要。
紅樹植物是生長在海岸潮間帶環(huán)境的木本植物，包含了不同分類類群的數(shù)十個物種，是研究適應性趨同進化的極佳對象。課題組選擇了三個主要的紅樹植物類群共16種代表性的紅樹物種，進行了全基因組或轉錄組測序組裝，在全基因組水平檢測趨同進化。通過系統(tǒng)發(fā)育分析發(fā)現(xiàn)三個紅樹植物類群起源的時間十分接近，共同經(jīng)歷了歷史上海平面的升降，并逐步適應潮間帶環(huán)境。論文進一步發(fā)展了準確估計分子水平趨同進化的方法，以陸生植物為對照，通過檢測趨同氨基酸替代的方法，成功收集到70多個在紅樹植物中趨同進化的基因。此外還發(fā)現(xiàn)紅樹植物更多的趨同進化發(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)生了平常少見的氨基酸替代模式。這種氨基酸組成的趨同進化有助于紅樹植物適應高鹽、動蕩且營養(yǎng)貧瘠的海岸潮間帶環(huán)境。這項研究通過合適的物種選取、大量的基因組數(shù)據(jù)和完備的對照組設置，首次真正在基因組水平上準確地檢測出趨同氨基酸替代位點。
我校生命科學學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，我校生命科學學院為第一和通訊作者單位。該研究得到國家自然科學基金重點和面上項目、科技部國家重點研發(fā)計劃、廣東省基礎與應用基礎研究基金、中國博士后科學基金等項目的資助。
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.
