异源多倍化是植物界中普遍存在的一种生物学现象,是物种形成的重要途径。植物异源多倍化过程中通常伴随着遗传、表观遗传、基因表达水平的改变,促使多倍体产生新的表型,进而适应新的环境。芸薹属(Brassica)包括三个二倍体种、多倍化形成的三个异源四倍体种,是具有重要经济价值的油料、蔬菜、观赏及饲料作物,同时也是研究异源多倍化的模式植物。前人将三个芸薹属栽培二倍体种白菜(B.rapa,AA,2n=20)、黑芥(B.nigra,BB,2n=16)、甘蓝(B.oleracea,CC,2n=18)成对杂交,人工合成了三个异源四倍体,即甘蓝型油菜(B.napus,AACC/CCAA,2n=38)、芥菜型油菜(B.juncea,AABB,2n=36)、埃塞俄比亚芥(B.carinata,BBCC,2n=34)。本研究利用RNA-Seq对上述人工合成材料进行转录组研究,揭示芸薹属异源多倍化早期基因表达变化。同时,将从甘蓝型油菜中分离出的白菜型油菜和天然白菜与与同一甘蓝杂交,合成甘蓝型油菜杂种(AC,n=19)并进行转录组比较,以揭示杂交和驯化过程对基因表达的影响。主要研究结果如下:1.合成芸薹属异源四倍体的转录组研究利用RNA-Seq技术对芸薹属三个基本种(AA,BB,CC)和远缘杂交人工合成的四个异源四倍体种(AABB,BBCC,CCAA,AACC)两个组织(叶片,角果皮)进行转录组比较分析,发现异源四倍体两个组织之间存在大量的差异表达基因。不同组织、不同基因组背景下,超亲表达基因数目和功能存在差异。总的来说,基因在角果皮中相比叶片更倾向于超亲上调表达。同时,与硫代葡萄糖苷合成和DNA甲基化相关的基因在大部分异源四倍体中超亲上调表达,表明与适应性相关的基因在多倍化早期就受到调控。虽然沉默和新表达的基因总数不存在差异,但在样品间两者呈负相关,表明在植物发育过程中两者存在平衡。正反交合成的两个甘蓝型油菜之间也存在比较多的差异表达基因,但在两个组织中共同差异上调和下调表达的基因,无论数目还是功能上都非常相似,暗示核质互作也可能存在某种平衡机制。核糖体蛋白基因表达具有组织特异性,表达聚类分析推测核糖体蛋白基因的表达可能和芸薹属四倍体中的核仁显性梯度(B>A>C)相关。总之,芸薹属异源四倍化早期存在大量的基因表达改变,这些改变可能有利于其在自然界中快速稳定、提高其适应环境的能力。2.分离白菜遗传图谱的构建与比较前人将甘蓝型油菜品种“奥罗”(Oro)与菘蓝杂交并连续回交两次,诱导C基因组染色体选择性丢失,分离出了白菜型油菜。将该分离白菜型油菜通过小孢子纯化后和测序白菜Chiifu杂交,利用F2群体构建了一张包含190个标记(其中包括180对SSR引物,10对InDel引物)、10个连锁群的遗传图谱,证实了分离白菜基因组的完整性,不存在染色体的缺失或代换。进一步和已有的白菜及甘蓝型油菜A基因组图谱比较发现,在多条染色体上存在重排事件。已有图谱和天然白菜相比,约有76%的标记在两者之间存在共线性,这与甘蓝型油菜A基因和白菜之间77%的共线性比例接近;和甘蓝型油菜A基因相比,其共线性标记的比例更高(84%),表明分离白菜基因组结构可能更偏向于甘蓝型油菜A基因组。此外,在A1和A9连锁群发现了两处共有差异,可能是由于在远缘杂交或A基因组分离过程中造成的新的重排。3.合成甘蓝型油菜杂种的转录组研究分别用从“奥罗”分离的白菜型油菜和天然白菜与同一甘蓝杂交,人工合成两个甘蓝型油菜杂种(AC,n=19)。通过对这两个杂种及天然甘蓝型油菜“奥罗”进行转录组比较分析,以研究经过异源多倍化的A基因组及自然进化的A基因组对基因表达的影响。两个杂种中大部分基因表现为加性表达,超亲表达相对较少,但在天然四倍体中非加性表达和超亲表达基因数目却显著增多。在合成杂种和天然四倍体中有很大一部分基因表现为表达水平显性(Expression level dominance;ELD)。A-ELD和C-ELD除了基因数目上相近,没有基因组偏向性外,两者在功能上也非常相似。通过比较部分同源基因在亲本和后代中的表达情况,发现亲本中的表达模式大部分遗传到合成杂种/天然四倍体,尤其是当基因对表达不存在差异时。和表达水平显性一样,部分同源偏向表达(Homoeolog expressions bias)也存在基因组间平衡。总之,表达水平显性和部分同源偏向表达在最初杂交时就不存在基因组偏向性表达,且这种基因组表达平衡状态在长期驯化过程中得以保持。虽然两个杂种间基因表达模式高度保守,但分离白菜的合成杂种中非加性表达、表达水平显性、部分同源偏向表达的基因/基因对数目都比天然白菜的合成杂种中要少,表明经过异源多倍化的A基因组比天然的可能对杂交有更好的适应性。