异源四倍体烟草基因组稳定性研究新进展

南湖网讯（通讯员 陈姝敏）5月4日，我校园艺植物生物学教育部重点实验室匡汉晖教授课题组在Molecular Plant上在线发表了题为“Unstable Allotetraploid Tobacco Genome Due to Frequent Homeologous Recombination, Segmental Deletion and Chromosome Loss”的研究论文。该论文通过构建一个高通量鉴定突变体的方法，筛选了大量的基因功能缺失的自然突变体，并分析了它们的突变机理。

高等植物中有一半以上物种为多倍体，即使现存的二倍体植物也在古代经历过全基因组复制。一般认为，多倍化可以加快基因组进化速度、促进新物种形成。然而多倍体基因组的主要突变类型及其频率、与二倍体基因组突变类型的差异等重要植物进化问题仍缺乏明确的实验证据。该领域研究相对滞后的主要原因是缺乏有效的方法在实验室鉴定大量的自然突变。

该论文首先开发了一套快速且高通量的鉴定抗病基因功能缺失突变体体系。该体系通过对含TMV抗性基因N的烟草与转入TMV无毒基因P50的转基因烟草进行杂交，获得杂种一代种子。杂种一代种所有细胞同时含有抗病基因（N）及其对应的无毒基因（P50）。随着N基因在种子发芽过程中的表达，N蛋白与P50蛋白互作产生超敏反应（hypersensitive response），导致幼苗植株死亡。只有当N基因或P50基因发生功能缺失突变后，突变体才能存活（图1）。对存活突变体进行进一步表型和遗传机理分析研究其突变机制。该研究利用这一体系共筛选了14,000,000粒杂交种子，从中鉴定出2134株N基因功能缺失突变体，N基因的自发突变率高达1/6600。

高通量鉴定N基因或P50基因的功能缺失突变体。A为突变体鉴定流程；B为一个存活突变体，周围的非突变体由于系统超敏反应而死亡。

论文对N基因功能缺失突变机制进行了详细分析，发现其中9个突变体的N基因发生了碱基突变；5个突变体中N基因外显子发生小片段插入或缺失突变（InDel）。据此推算烟草基因组中每代每个位点发生InDel的突变率为5.3×10-11。其余2120个N基因功能缺失突变体均由染色体变异导致，包括同祖染色体交换（homeolgous recombination）和染色体丢失，频率分别约为1/12,000和1/15,000。

对另一条染色体（P50所插入染色体，称为P50染色体）分析发现，该染色体同样发生高频率的染色体丢失，频率约为1/13,000。同时该染色体还存在高频率的大片段丢失(1/16,000)。然而P50染色体上未检测到同祖染色体交换事件，证明同祖染色体交换在基因组不同区域发生的频率不同。

N基因和P50基因的突变类型。A为N染色体，B为P50染色体

因此，相对于点突变及InDel突变，多倍体烟草基因组中存在更频繁的同祖染色体交换、染色体大片段缺失及染色体丢失突变。作者认为，同祖染色体交换只发生在多倍体中；染色体大片段缺失及染色体丢失都几乎不可避免导致二倍体植株的配子致死，从而不遗传到下一代。因此，多倍体与二倍体之间存在明显不同的突变类型。多倍体基因组的高度不稳定性一方面会导致多倍体的加速灭绝，另一方面高突变率可能偶尔产生一个比其祖先二倍体适应性更强的突变体，进而促进新物种的形成。

该论文的第一作者为园艺林学学院博士生陈姝敏和任飞虹，通讯作者为园艺林学学院匡汉晖教授。

论文链接：https://www.cell.com/molecular-plant/abstract/S1674-2052(18)30159-X

审核人：匡汉晖