近日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所蔬菜分子設(shè)計育種團(tuán)隊在《Plant Physiology》期刊上發(fā)表題為“Regional Active Transcription Associates with Homoeologous Exchange Breakpoints in Synthetic Brassica Tetraploids”的研究論文。該研究繪制了新合成異源四倍體早期世代的多組學(xué)圖譜，揭示了同源置換（homoeologous exchange，HE）片段斷點位置活躍轉(zhuǎn)錄的特征。

 

　　多倍化在植物進(jìn)化和性狀演化過程中起著至關(guān)重要的作用，對物種分化與多樣性的形成，以及作物馴化均具有重要貢獻(xiàn)。人工合成多倍體是促進(jìn)作物多樣性形成的有效手段之一，在作物育種中的應(yīng)用也越來越廣泛。先前的研究表明，染色體重排以及非整倍體現(xiàn)象在合成多倍體中常有發(fā)生，并伴隨著表觀遺傳模式的重塑。然而，發(fā)生這種現(xiàn)象的機(jī)制以及對基因表達(dá)和植物表型的影響仍然未知。

 

　　該研究利用了以蕓薹屬作物白菜和甘藍(lán)為親本進(jìn)行遠(yuǎn)源雜交并基因組加倍得到的異源四倍體研究系統(tǒng)。通過對親本、雜交F1以及四倍體后代的葉片進(jìn)行連續(xù)多年的多組學(xué)測定研究，繪制了新合成四倍體早期世代在基因組片段、基因轉(zhuǎn)錄和甲基化修飾水平的動態(tài)變化圖譜。研究發(fā)現(xiàn)，新合成的異源四倍體在自交后頻繁發(fā)生大片段的HE事件，且其發(fā)生頻率與兩套亞基因組之間共線性水平正相關(guān)。這些多倍化后自交產(chǎn)生的大量HE事件，一方面破壞了多倍體后代的遺傳一致性和穩(wěn)定性，另一方面也創(chuàng)造了遺傳多樣性的材料。另外，該結(jié)果還提示了在利用HE引入外源片段的研究中，可以通過遠(yuǎn)源雜交后連續(xù)自交1-2代以獲得高頻漸滲率。位于HE片段內(nèi)的基因，其表達(dá)水平表現(xiàn)出明顯的劑量效應(yīng)。但在這些HE片段內(nèi)并沒有檢測到明顯的甲基化水平變化。盡管全基因組甲基化水平在不同世代之間出現(xiàn)波動，甲基化水平的變化并沒有在整體上對基因表達(dá)產(chǎn)生影響。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，HE的斷點位置多出現(xiàn)在基因內(nèi)部，這些基因以及其臨近基因在功能上沒有顯著的偏向性，但在基因序列長度及周邊TE含量、轉(zhuǎn)錄以及甲基化水平等方面均提示其活躍轉(zhuǎn)錄的特征。

 

　　中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所蔬菜分子設(shè)計育種創(chuàng)新團(tuán)隊的助理研究員蔡成成、博士畢業(yè)生楊印慶（現(xiàn)就職于山東農(nóng)業(yè)大學(xué)）和副研究員張磊為該論文的共同第一作者，程鋒研究員、王曉武研究員、張亢研究員和美國加州大學(xué)伯克利分校的Michael Freeling教授為該論文的共同通訊作者，蔬菜分子設(shè)計育種團(tuán)隊的多名教師和研究生參與了該工作。本研究得到了蔬菜生物育種全國重點實驗室、國家自然科學(xué)基金、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程項目以及農(nóng)業(yè)農(nóng)村部園藝作物生物學(xué)與遺傳改良重點實驗室的資助。

 

　　原文鏈接：https://doi.org/10.1093/plphys/kiae434