核心提示： 2018年5月4日，華中農(nóng)業(yè)大學園藝植物生物學教育部重點實驗室匡漢暉教授課題組在國際期刊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)歷過全基因組復制。一般認為，多倍化可以加快基因組進化速度、促進新物種形成。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化問題仍缺乏明確的實驗證據(jù)。該領域研究相對滯后的主要原因是缺乏有效的方法在實驗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)基因煙草進行雜交，獲得雜種一代種子。雜種一代種所有細胞同時含有抗病基因（N）及其對應的無毒基因（P50）。隨著N基因在種子發(fā)芽過程中的表達，N蛋白與P50蛋白互作產(chǎn)生超敏反應（hypersensitive response），導致幼苗植株死亡。只有當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）。對存活突變體進行進一步表型和遺傳機理分析研究其突變機制。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為一個存活突變體，周圍的非突變體由于系統(tǒng)超敏反應而死亡。
論文對N基因功能缺失突變機制進行了詳細分析，發(fā)現(xiàn)其中9個突變體的N基因發(fā)生了堿基突變；5個突變體中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位點發(fā)生InDel的突變率為5.3×10-11。其余2120個N基因功能缺失突變體均由染色體變異導致，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，相對于點突變及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)定性一方面會導致多倍體的加速滅絕，另一方面高突變率可能偶爾產(chǎn)生一個比其組先二倍體適應性更強的突變體，進而促進新物種的形成。
該論文的第一作者為華中農(nóng)業(yè)大學園藝林學學院博士生陳姝敏和任飛虹，通訊作者為華中農(nóng)業(yè)大學園藝林學學院匡漢暉教授。
論文鏈接：https://www.cell.com/molecular-plant/abstract/S1674-2052(18)30159-X
