核心提示： 2018年5月4日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝植物生物學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室匡漢暉教授課題組在國(guó)際期刊Molecular Plant上在線發(fā)表了異源四倍體煙草基因組穩(wěn)定性研究新進(jìn)展。
高等植物中有一半以上物種為多倍體，即使現(xiàn)存的二倍體植物也在古代經(jīng)歷過全基因組復(fù)制。一般認(rèn)為，多倍化可以加快基因組進(jìn)化速度、促進(jìn)新物種形成。然而多倍體基因組的主要突變類型及其頻率、與二倍體基因組突變類型的差異等重要植物進(jìn)化問題仍缺乏明確的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。該領(lǐng)域研究相對(duì)滯后的主要原因是缺乏有效的方法在實(shí)驗(yàn)室鑒定大量的自然突變。
該論文首先開發(fā)了一套快速且高通量的鑒定抗病基因功能缺失突變體體系。該體系通過對(duì)含TMV抗性基因N的煙草與轉(zhuǎn)入TMV無毒基因P50的轉(zhuǎn)基因煙草進(jìn)行雜交，獲得雜種一代種子。雜種一代種所有細(xì)胞同時(shí)含有抗病基因（N）及其對(duì)應(yīng)的無毒基因（P50）。隨著N基因在種子發(fā)芽過程中的表達(dá)，N蛋白與P50蛋白互作產(chǎn)生超敏反應(yīng)（hypersensitive response），導(dǎo)致幼苗植株死亡。只有當(dāng)N基因或P50基因發(fā)生功能缺失突變后，突變體才能存活（圖1）。對(duì)存活突變體進(jìn)行進(jìn)一步表型和遺傳機(jī)理分析研究其突變機(jī)制。該研究利用這一體系共篩選了14,000,000粒雜交種子，從中鑒定出2134株N基因功能缺失突變體，N基因的自發(fā)突變率高達(dá)1/6600。
高通量鑒定N基因或P50基因的功能缺失突變體。A為突變體鑒定流程；B為一個(gè)存活突變體，周圍的非突變體由于系統(tǒng)超敏反應(yīng)而死亡。
論文對(duì)N基因功能缺失突變機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)其中9個(gè)突變體的N基因發(fā)生了堿基突變；5個(gè)突變體中N基因外顯子發(fā)生小片段插入或缺失突變（InDel）。據(jù)此推算煙草基因組中每代每個(gè)位點(diǎn)發(fā)生InDel的突變率為5.3×10-11。其余2120個(gè)N基因功能缺失突變體均由染色體變異導(dǎo)致，包括同組染色體交換（homeolgous recombination）和染色體丟失，頻率分別約為1/12,000和1/15,000。
對(duì)另一條染色體（P50所插入染色體，稱為P50染色體）分析發(fā)現(xiàn)，該染色體同樣發(fā)生高頻率的染色體丟失，頻率約為1/13,000。同時(shí)該染色體還存在高頻率的大片段丟失(1/16,000)。然而P50染色體上未檢測(cè)到同組染色體交換事件，證明同組染色體交換在基因組不同區(qū)域發(fā)生的頻率不同。
N基因和P50基因的突變類型。A為N染色體，B為P50染色體
因此，相對(duì)于點(diǎn)突變及InDel突變，多倍體煙草基因組中存在更頻繁的同組染色體交換、染色體大片段缺失及染色體丟失突變。作者認(rèn)為，同組染色體交換只發(fā)生在多倍體中；染色體大片段缺失及染色體丟失都幾乎不可避免導(dǎo)致二倍體植株的配子致死，從而不遺傳到下一代。因此，多倍體與二倍體之間存在明顯不同的突變類型。多倍體基因組的高度不穩(wěn)定性一方面會(huì)導(dǎo)致多倍體的加速滅絕，另一方面高突變率可能偶爾產(chǎn)生一個(gè)比其組先二倍體適應(yīng)性更強(qiáng)的突變體，進(jìn)而促進(jìn)新物種的形成。
該論文的第一作者為華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院博士生陳姝敏和任飛虹，通訊作者為華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院匡漢暉教授。
論文鏈接：https://www.cell.com/molecular-plant/abstract/S1674-2052(18)30159-X
