重點(diǎn)試驗(yàn)室匯報(bào)課件

植物遠(yuǎn)緣雜種和多倍化中的表觀遺傳研究李鎖平多倍化是植物進(jìn)化變異新物種形成的途徑之一,也是促進(jìn)植物發(fā)生進(jìn)化改變的重要?jiǎng)恿?。?jù)估計(jì)，至少50%也許70%以上的被子植物進(jìn)化歷史上曾發(fā)生過(guò)至少一次多倍化（Masterson，1994；Wendel2000）。許多重要的作物如香蕉、咖啡、棉花、馬鈴薯、小麥、甘蔗等都是多倍體。比較基因組研究發(fā)現(xiàn)，即使是以前認(rèn)為是二倍體的物種，如水稻（GuyotandKeller2004）玉米（Gaut等1997）、大豆（Shoemaker等1996）擬南芥（Vision，2000；Anonymous，2000）等植物在進(jìn)化過(guò)程中也曾發(fā)生過(guò)多倍花和加倍后廣泛的染色體斷裂融合重排。由于多倍體的廣泛分布和重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，最近50年來(lái)，多倍體特別是異源多倍體的合成和進(jìn)化得到了人們相當(dāng)多的關(guān)注（Soltis和Soltis，1995）。然而，有關(guān)多倍體基因組進(jìn)化的信息人們一直知之甚少。新合成的人工多倍體由于其親緣關(guān)系明晰，是研究異源雜交和多倍化后早期基因組遺傳和后遺傳變化的理想材料。自Song等（1995）以人工新合成蕓薹屬異源多倍體為材料研究基因組的進(jìn)化以來(lái)，利用新合成的人工多倍體研究多倍體基因組進(jìn)化已用于包括蕓薹（song，1995）、小麥及其近緣屬（Ozkan，2001；FeldmanandLevy，2003）、擬南芥（Comaietal，2000；Malungetal，2002）、棉花（liu，etal，2001）、大米草（Baumeletal，2002）等多種植物。發(fā)現(xiàn)植物多倍體在形成的早期基因組發(fā)生序列的快速消除、親本基因組的累加、序列和染色體的重排等遺傳改變和基因沉默、轉(zhuǎn)座子激活和核仁顯性等表觀遺傳學(xué)變化一植物遠(yuǎn)緣雜交和多倍化中

的遺傳改變1、親本序列的快速消除和增加研究表明，蕓薹屬，小麥屬等植物在雜交和多倍化過(guò)程中，多倍體的基因組并不是雙親基因組的累加，而是表現(xiàn)出親本的一些序列的快速消除和增加（消除是主要的）。Song等（1995）以人工新合成蕓薹屬異源多倍體F2—F5為材料，最早的報(bào)道了多倍體形成后伴隨著廣泛的快速的基因組變化，他用89個(gè)核探針（19個(gè)未知克隆,63個(gè)cDNA克隆和7個(gè)已知功能的核基因）分析了多倍體基因組限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)（RFLP）,發(fā)現(xiàn)F2--F5各世代基因組均發(fā)生變化;其中包括親本片段消失、出現(xiàn)親本不存在的新片段、F2未檢測(cè)到的親本片段在F5重新出現(xiàn)等。在小麥屬和山羊草屬種間或?qū)匍g雜交中,Ozkan等（2001）以新合成的35個(gè)雜交組合的F1及22個(gè)異源多倍體(1～3代)為材料,詳細(xì)研究了小麥基因組(GSS)或染色體(CSS)特異的低拷貝、非編碼序列的丟失規(guī)律。結(jié)果顯示,序列丟失是一個(gè)快速的過(guò)程,即丟失發(fā)生于F1,并在多倍化后的幾個(gè)世代內(nèi)完成;GSS丟失始于F1,而CSS丟失一般始于多倍體1代,暗示雜合性觸發(fā)了GSS丟失,而多倍化導(dǎo)致CSS丟失。如合成多倍體的基因組組成與天然存在的異源多倍體相似,其染色體序列消失較早;如基因組組成無(wú)對(duì)應(yīng)的天然異源多倍體,其染色體序列消失較晚。序列消除對(duì)于自然界中多倍體的形成和穩(wěn)定起重要的作用。推測(cè)只有特定的基因組合才能有效的處理好2個(gè)基因組的整合，即通過(guò)一系列的序列消除來(lái)完成，從而生存下來(lái)并形成新物種；對(duì)蕓薹屬多倍體的研究也表明序列消除發(fā)生在多倍體形成的早期階段（song等，1995）。此外,在蕓薹屬(Brassica)和山羊草屬(Aegilops)中觀察到的消除序列表明被消除的序列在某種程度上傾向于來(lái)自其中一個(gè)親本基因組的序列。在異源多倍體AABB(B.rapa×B.nigra)中觀察到丟失的片段傾向于來(lái)自父本基因組,但在異源多倍體AACC中并沒(méi)有類似的現(xiàn)象（Song等，1995）。小麥多倍化過(guò)程中傾向于丟失來(lái)源于D基因組的GSS和CSS（Ozkan等，2001）。Shaked等（2001）也觀察到類似的單向丟失現(xiàn)象,如山羊草屬的Ae.sharonensis(S1S1)與Ae.umbellulata(UU)雜交,前者AFLP帶在雜種中丟失達(dá)14%,而后者丟失僅有0.5%,大部分序列消除發(fā)生由雜交不是加倍.而在另一個(gè)雜交Ae.longissimaXT.urartu,序列消除在加倍后更頻繁發(fā)生。被消除的序列與該異源多倍體物種基因組組成相關(guān)。2、親本基因組在多倍體中的累加序列的快速消除并不是在所有物種多倍化過(guò)程中都發(fā)生。雙倍體芥菜（B.rapaXB.nigra）真實(shí)的繼承了雙親的基因組。Liu等（2001）在棉花中利用擴(kuò)增片段長(zhǎng)度多態(tài)性分析（AFLP）和甲基化敏感多態(tài)性分析（MSAP）研究了新合成的棉屬(Gossypium)異源四倍體、六倍體、雙親及多倍體自交后代的基因組,在AFLP增的總共約22000個(gè)基因組位點(diǎn)中,親本的擴(kuò)增帶均能真實(shí)地傳遞給多倍體后代,多倍體基因組也未出現(xiàn)與親本不同模式的甲基化;用5個(gè)反轉(zhuǎn)座子序列作探針的Southern分析也顯示異源多倍體基因組系2個(gè)親本基因組的忠實(shí)累加。新近Baumel等（2001，2002）采用反轉(zhuǎn)座子間擴(kuò)增多態(tài)性(IRAP)、反轉(zhuǎn)座子-微衛(wèi)星擴(kuò)增多態(tài)性(REMAP)及簡(jiǎn)單序列重復(fù)間隔(ISSR)方法,比較了2個(gè)親本、雜種(Spartina×townsendii)及僅僅形成110年的年輕的多倍體大米草的基因組。結(jié)果顯示大米草和雜種一代的基因組有很高的相似性,多倍體基因組系2個(gè)親本基因組的精確累加。然而，在異源四倍體棉花上作的基因表達(dá)分析（Adams等，2003）揭示相當(dāng)比例高（25%）基因表達(dá)差異，人工合成的多倍體和自然多倍體基因表達(dá)譜累似表明重復(fù)基因表達(dá)譜差異是快速可重復(fù)的事件。這個(gè)結(jié)果表明棉花多倍體發(fā)生了直接的表觀遺傳學(xué)修飾而不是直接的遺傳改變。3、雜交和多倍化過(guò)程中的基因重排植物多倍化過(guò)程中還會(huì)出現(xiàn)基因組的重排，在小麥、花生的遠(yuǎn)緣雜種和多倍體中均出現(xiàn)DNA重排（Levy，F(xiàn)eldman，2002；Liu等，2002；Wendel，2000；Burow等，2001）。在有些情況下,重排幾乎涉及整個(gè)基因組,每條染色體也可能發(fā)生多次重排例如,多花黑麥草(Loliummultiflorum)與牛尾草(Festucapratensis)屬間雜交合成的四倍體(2n=4x=28)觀察到基因組間廣泛重組;GISH分析了代表25個(gè)不同F(xiàn)8植株的72個(gè)有絲分裂細(xì)胞,平均每個(gè)細(xì)胞發(fā)生22～38次易位,至少涉及28條染色體中的20條,每條染色體易位0～7次（Wendel，2000）?；蛑嘏庞袝r(shí)會(huì)導(dǎo)致多倍體染色體數(shù)目的減少,如葦狀羊茅(Festucaarundinacea)與多花黑麥草雜交后,染色體經(jīng)秋水仙堿加倍,可育后代在減數(shù)分裂時(shí)出現(xiàn)有規(guī)律的配對(duì),并表現(xiàn)出二倍體的染色數(shù);GISH分析顯示二倍體的基因組是雙親染色體不同片斷的重組體（Wendel，2000）。二、遠(yuǎn)緣雜交和多倍化過(guò)程中的表觀遺傳學(xué)變化多倍化除發(fā)生遺傳改變外，還會(huì)發(fā)生表觀遺傳學(xué)（epigenetic）既不涉及DNA序列的變化導(dǎo)致的基因表達(dá)改變，如基因沉默、基因激活、核仁顯性等。它主要通過(guò)對(duì)DNA和/或組蛋白的共價(jià)修飾（如DNA甲基化和組蛋白乙?；﹣?lái)實(shí)現(xiàn)。DNA（特別是胞嘧啶）甲基化（脫甲基化）是高級(jí)動(dòng)物、植物調(diào)控基因表達(dá)和維持基因組穩(wěn)定性（基因組防御）的重要表觀遺傳學(xué)機(jī)制。組蛋白乙?；撘阴；┦钦婧松镏辛硗庖环N基因表達(dá)的重要表觀遺傳學(xué)機(jī)制，有證據(jù)表明，組蛋白乙酰化和DNA甲基化密切相關(guān)，甲基化是關(guān)、組蛋白乙?；情_(kāi)（胡楷，2002），二者通過(guò)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)來(lái)影響基因的表達(dá)。遠(yuǎn)端雜交和基因組加倍可誘發(fā)基因組內(nèi)轉(zhuǎn)座子內(nèi)外的編碼及調(diào)控序列發(fā)生迅速的表觀遺傳修飾，從而導(dǎo)致基因沉默、產(chǎn)生新性狀以及轉(zhuǎn)座子活性的激活和抑制三、雜交和多倍化過(guò)程中的遺傳和表觀遺傳改變的機(jī)制和意義對(duì)于親本序列的消除，一些研究者認(rèn)為是同源重組（Feuillet，等，2002；Comai等2000）。在遠(yuǎn)緣雜種中，部分同源染色體間的遺傳重組產(chǎn)生了大量的錯(cuò)配，超過(guò)了DNA錯(cuò)配修復(fù)系統(tǒng)的修復(fù)能力，從而使種間雜種后代保存大量的重組體。不同的基因組間的染色體部分同源序列的重組，可能產(chǎn)生無(wú)著絲點(diǎn)的染色體和雙著絲點(diǎn)的染色體，不能傳替給后代，導(dǎo)致親本遺傳信息的流失，而部分同源的順向重復(fù)序列的重組，會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)重復(fù)序列間的序列的丟失。Feldman等(1997)認(rèn)為通過(guò)DNA排除過(guò)程,可以把某些部分同源染色體(homoeologous)所共有的序列轉(zhuǎn)化成某些染色體所特有的序列,增加部分同源染色體之間的差異水平,減少它們?cè)跍p數(shù)分裂過(guò)程中配對(duì)的機(jī)會(huì),保證嚴(yán)格的同源染色體(homologous)之間的配對(duì),從而為多倍化以后在多倍體基因組中盡快恢復(fù)二倍化的染色體配對(duì)式樣奠定基礎(chǔ)。Liu等（1998a，1998b，1997）通過(guò)比較人工合成的異源多倍體和自然生成的多倍體發(fā)現(xiàn),CSSs和GSSs的消除在模式、速率和時(shí)間等參數(shù)上受到異源多倍體基因組組合情況的影響,快速的序列消除總出現(xiàn)在那些在自然界中已存在的異源多倍體中,即,序列消除似乎和異源多倍體的成功進(jìn)化相關(guān)聯(lián)。在多倍體形成過(guò)程中出現(xiàn)的這類基因組的非加性變化很有可能是基因組在雜交和多倍化這兩大壓力下產(chǎn)生的適應(yīng)性變化,使得新形成的多倍體的發(fā)育調(diào)控朝著有利于多倍體基因組在自然界快速穩(wěn)定的方向發(fā)展（Pikaardetal，2002；Ozkanetal，2003）植物異源多倍化過(guò)程中發(fā)生的基因沉默和基因表達(dá)的改變等表觀遺傳學(xué)改變，能產(chǎn)生新的表型，從而提高了基因表達(dá)的多樣性（LiuandWendel,2003），提高其對(duì)自然的適應(yīng)性；快速的基因沉默等表觀修飾可引起多倍體遺傳學(xué)和細(xì)胞學(xué)的二倍化；遠(yuǎn)源雜交和多倍化被認(rèn)為是一種基因組“休克”，不同親本基因組的突然整合會(huì)破壞基因間的協(xié)調(diào)性。而表觀修飾是消除基因間不利的相互作用的一種有效方法，通過(guò)基因沉默等表觀遺傳變易和染色質(zhì)區(qū)的結(jié)構(gòu)重組，不利的相互作用可快速得到改善，從而促進(jìn)基因間的相互協(xié)調(diào)（liuandWendel,2003）。這些新穎的表觀修飾方式對(duì)植物的進(jìn)化將產(chǎn)生重要的影響，同時(shí)對(duì)整個(gè)生物界都具有重要的意義四節(jié)節(jié)麥和黑麥雜種和雙倍體穩(wěn)定過(guò)程中的遺傳變化酶切組合親本片段數(shù)親本片段消失數(shù)（%）僅F1消失（%）新增片段數(shù)（占親本片段總數(shù)%）僅F1,C1新增帶（%）合計(jì)F1C1C2C3C4合計(jì)F1C1C2C3C4PstⅠ/MseⅠDD+RR1516211024（3.97）（1.32）（0.66）（0.66）（0.00）（1.32）（2.64）RR179494041049（27.37）（22.34）（2.23）（0.55）（0.00）（2.23）（5.02）D9.60）（5.08）（4.51）（0.00）（0.00）（0.00）（1.69）合計(jì)50772511320616663858783（14.20）（10.05）（2.56）（0.39）（0.00）（1.17）（3.15）（13.02）（7.50）（0.99）（1.58）（1.38）（1.58）（0.59）表1：AFLP在節(jié)節(jié)麥（DD）、黑麥（RR）雜種及雙二倍體各代消失、新增的片段統(tǒng)計(jì)酶切組合親本片段數(shù)親本片段消失數(shù)（%）僅F1消失（%）新增片段數(shù)（占親本片段總數(shù)%）僅F1,C1新增帶（%）合計(jì)F1C1C2C3C4合計(jì)F1C1C2C3C4EcoRⅠ/MseⅠDD+RR1513110102（1.98）（0.66）（0.66）（0.00）（0.66）（0.00）（1.32）RR103323101005（31.06）（30.09）（0.00）（0.97）（0.00）（0.00）（4.85）DD245302124302（12.24）（8.57）（0.81）（1.62）（1.22）（0.00）（0.81）合計(jì)49965533340966381945016（13.02）（10.62）（0.60）（1.22）（0.8）（0.00）（1.80）（13.23）（7.62）（3.81）（0.80）（1.00）（0.00）（3.21）引物親本片段數(shù)親本片段消失數(shù)（%）僅F1消失（%）新增片段數(shù)（占親本片段總數(shù)%）僅F1,C1新增帶（%）合計(jì)F1C1C2C3C4合計(jì)F1C1C2C3C4D-SSRDD+RR192200001（10.53）（10.53）（0.00）（0.00）（0.00）（0.00）（5.26）RR130000000（0.00）（0.00）（0.00）（0.00）（0.00）（0.00）（0.00）DD130000001（0.00）（0.00）（0.00）（0.00）（0.00）（0.00）（7.69）合計(jì)4522000020000000（4.44）（4.44）（0.00）（0.00）（0.00）（0.00）（4.44）（0.00）（0.00）（0.00）（0.00）（0.00）（0.00）（0.00）表2：節(jié)節(jié)麥（DD）、黑麥（RR）雜種及雙二倍體各代SSR片段分析引物親本片段數(shù)親本片段消