多倍化后基因丢失的分子机制：重组删除主导假基因化的进化模式

本研究通过分析12种古多倍体和3种新多倍体被子植物基因组，揭示了多倍化后基因丢失的分子机制。研究人员发现，与假基因化相比，重组删除（DNA deletion）是基因丢失的主要途径，尤其在多倍化早期阶段占主导地位。该研究通过模拟中性进化假基因的降解过程，结合新多倍体基因组的实证分析，提出多倍化会创造高重组率的基因组环境，从而加速冗余基因的删除。这一发现为理解多倍化后二倍化（rediploidization）的分子机制提供了新视角，对植物基因组进化研究具有重要意义。

　　

在植物进化过程中，全基因组加倍（Whole Genome Multiplication, WGM）是推动物种形成和适应性进化的重要力量。然而，多倍化后的基因组往往需要通过"二倍化"（rediploidization）过程恢复稳定性，其中大规模的基因丢失是关键环节。长期以来，科学界对基因丢失的分子机制存在争议：究竟是假基因化（pseudogenization）还是DNA删除（DNA deletion）起主导作用？这个问题不仅关乎基因组进化理论，也对理解植物适应性演化具有重要意义。

比利时根特大学（Ghent University）的Ewout Crombez、Yves Van de Peer和Zhen Li团队在《Nature Communications》发表的研究，通过系统分析12种古多倍体和3种新多倍体被子植物基因组，揭示了多倍化后基因丢失的分子机制。研究人员采用PseudoPipe流程鉴定假基因，结合i-ADHoRe分析共线性区段，并通过模拟中性进化假基因的降解过程，发现WGM衍生的假基因数量远低于预期。

研究采用了几个关键技术方法：1）使用PseudoPipe流程系统鉴定12个古多倍体物种的假基因；2）通过i-ADHoRe分析共线性区段，区分WGM衍生的假基因和小规模复制（SSD）产生的假基因；3）基于拟南芥自发突变率模拟假基因的中性进化过程；4）分析3个新多倍体基因组（甘蔗、马铃薯和猕猴桃）的基因保留模式；5）结合重组率分析和Ka/Ks比值计算评估假基因的选择压力。

结果部分的主要发现：

假基因在古多倍体物种中的鉴定特征
研究团队在12个古多倍体物种中鉴定出WGM衍生的假基因数量（61-1761个）远低于预期。这些假基因的蛋白一致性（30-40%）和比对覆盖率（约23%）显著低于功能性旁系同源基因对。值得注意的是，WGM衍生的假基因数量与最近一次WGM事件的时间呈显著负相关（Spearman's ρ=-0.79），表明假基因会随时间推移而丢失。

为什么WGM衍生的假基因如此之少？
通过模拟中性进化假基因的降解过程，研究人员发现假基因应保持更长的可检测时间（约55百万年），远超过实际观察到的数量。这一差异表明DNA删除是基因丢失的主要机制。模型拟合显示WGM衍生的基因对丢失符合双指数衰减模型（R²=0.8），而假基因丢失符合单指数模型（R²=0.65），暗示两种不同的丢失动力学。

新多倍体基因组中的基因丢失证实DNA删除占优势
在甘蔗（Saccharum spontaneum）、马铃薯（Solanum tuberosum）和猕猴桃（Actinidia arguta）三个新多倍体基因组中，DNA删除发生的频率分别是假基因化的1.5倍、1.8倍和1.3倍。基因删除事件倾向于成簇发生（甘蔗中平均1.9个相邻基因同时删除），支持DNA删除通过大规模重组事件发生的假说。

WGM衍生的假基因富集在高重组区域
与其它类型假基因不同，WGM衍生的假基因在重组率高的区域显著富集（Glycine max中r=0.45，Oryza sativa中r=0.24）。研究人员提出WGM会创造高重组率的基因组环境，加速冗余基因的删除，而小规模复制（SSD）产生的分散重复基因则更易保留为假基因。

假基因表现出非中性的Ka/Ks比值
WGM衍生的假基因Ka/Ks比值（0.3-0.6）虽高于功能性基因（约0.2），但仍显著低于中性进化预期值（Ka/Ks≈1）。部分假基因与长链非编码RNA（lncRNA）存在显著重叠（拟南芥中12个，番茄中2个），暗示其可能获得新的调控功能。

这项研究系统阐明了多倍化后基因丢失的分子机制，证明重组删除是二倍化过程中的主导力量。这一发现不仅解决了基因组进化领域的长期争议，也为理解多倍化植物的适应性演化提供了新视角。研究揭示的假基因-重组率关联模式，以及假基因潜在的功能转化，为后续研究植物基因组可塑性和新功能演化开辟了新方向。特别值得注意的是，该研究通过整合古多倍体和新多倍体的比较分析，结合理论模拟和实证研究，构建了多倍化后基因组进化的统一理论框架，对作物育种和基因组学研究具有重要指导意义。