近日，我校生命科學(xué)學(xué)院分子表觀遺傳學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與美國愛荷華州立大學(xué)合作在植物多倍體基因組進(jìn)化領(lǐng)域取得重要研究進(jìn)展。該研究詳盡闡述了新形成的秈粳亞種間節(jié)段異源四倍體水稻中部分同源染色體間發(fā)生大規(guī)模重組，從而導(dǎo)致其在僅經(jīng)歷12次有性繁殖世代后快速演化為一系列在基因組組成和表型上均顯著分歧的同源四倍體系的過程，暗示自然界中存在從異源多倍體（allopolyploid）向同源多倍體（autopolyploid）快速演化的可能性，對(duì)分類學(xué)和系統(tǒng)學(xué)研究以及新型多倍體作物育種均具有重要啟示。相關(guān)成果以“Rapid formation of stable autotetraploid rice from genome-doubled F1 hybrids of japonica-indica subspecies”為題，發(fā)表在國際著名期刊《自然—植物》（Nature Plants）上。
多倍化或全基因組加倍（whole-genome duplication, WGD）作為驅(qū)動(dòng)物種進(jìn)化與生物多樣性形成的重要機(jī)制已被廣泛認(rèn)知，并在作物馴化和遺傳改良中發(fā)揮關(guān)鍵作用。部分同源交換（Homoeologous Exchange, HE）作為異源多倍體特有的結(jié)構(gòu)變異類型，對(duì)基因組穩(wěn)定性、基因表達(dá)調(diào)控及表型可塑性都具有深遠(yuǎn)影響。理論推測(cè)，在缺乏強(qiáng)選擇壓力的情況下，HE驅(qū)動(dòng)的部分同源染色體重組將促使節(jié)段異源多倍體快速向同源多倍體方向演化，而使得更為相似的部分同源染色體常會(huì)加劇減數(shù)分裂紊亂，導(dǎo)致育性下降。然而，上述理論推測(cè)均未經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
研究團(tuán)隊(duì)利用水稻（Oryza sativa L.）粳稻亞種（subsp. japonica）cv. Nipponbare和秈稻亞種（subsp. indica）cv. 9311正反交的F1雜交種，經(jīng)全基因組加倍和基于單粒傳代的連續(xù)自交11代，構(gòu)建了包含202個(gè)四倍體重組自交系（tetraploid recombinant inbred lines, TRILs，S12）群體，并開展全基因組重測(cè)序分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該TRILs群體在有限世代內(nèi)積累了大量HE事件，導(dǎo)致其從最初的節(jié)段性異源四倍體快速演化為基因組高度純合、表型多樣的同源四倍體。進(jìn)一步分析表明，TRILs群體中秈稻親本9311的基因組片段保留顯著占優(yōu)勢(shì)，且在6號(hào)染色體上的一個(gè)1.7-Mb的基因組區(qū)域（Chr6: 7.68–9.385 Mb）中表現(xiàn)出完全保留現(xiàn)象。此外，部分TRILs表現(xiàn)出相對(duì)穩(wěn)定的減數(shù)分裂行為與高育性，也表現(xiàn)出高產(chǎn)和耐逆等優(yōu)良農(nóng)藝性狀。
代表性TRILs和親本及對(duì)照基因型的表型展示
該成果首次利用實(shí)驗(yàn)進(jìn)化學(xué)手段驗(yàn)證了HEs可驅(qū)動(dòng)“異源多倍體向同源多倍體的快速演化”現(xiàn)象，該現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)對(duì)分類學(xué)和系統(tǒng)學(xué)具有重要啟示。同時(shí)，本成果也揭示，利用馴化的同屬不同種間或亞種間二倍體作物為親本，通過人工合成多倍體途徑有望快速培育出具有重要農(nóng)業(yè)應(yīng)用價(jià)值的新型多倍體作物。
該成果的第一作者為我校生命科學(xué)學(xué)院博士研究生韓旭、李佳豪和博士后李過，通訊作者為我校生命科學(xué)學(xué)院吳瑩副教授、宮磊教授、劉寶教授以及愛荷華州立大學(xué)Jonathan F. Wendel教授。該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)、國家自然科學(xué)基金、吉林省重點(diǎn)研發(fā)和美國國家科學(xué)基金會(huì)植物基因組計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。
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