近日，中國農業(yè)科學院蔬菜花卉研究所蔬菜分子設計育種團隊在 《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圖譜，揭示了同源置換（homoeologous exchange，HE）片段斷點位置活躍轉錄的特征。

? ? ? 多倍化在植物進化和性狀演化過程中起著至關重要的作用，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。人工合成多倍體是促進作物多樣性形成的有效手段之一，在作物育種中的應用也越來越廣泛。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)象的機制以及對基因表達和植物表型的影響仍然未知。

圖1 基因組結構、基因表達和DNA甲基化變異全景圖

? ? ? 該研究利用了以蕓薹屬作物白菜和甘藍為親本進行遠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行連續(xù)多年的多組學測定研究，繪制了新合成四倍體早期世代在基因組片段、基因轉錄和甲基化修飾水平的動態(tài)變化圖譜（圖1）。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。這些多倍化后自交產生的大量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，該結果還提示了在利用HE引入外源片段的研究中，可以通過遠源雜交后連續(xù)自交1-2代以獲得高頻漸滲率。位于HE片段內的基因，其表達水平表現(xiàn)出明顯的劑量效應。但在這些HE片段內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產生影響。進一步的研究發(fā)現(xiàn)，HE的斷點位置多出現(xiàn)在基因內部，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、轉錄以及甲基化水平等方面均提示其活躍轉錄的特征（圖2）。

圖2 HE斷點位置特征

? ? ? 中國農業(yè)科學院蔬菜花卉研究所蔬菜分子設計育種創(chuàng)新團隊的助理研究員蔡成成、博士畢業(yè)生楊印慶（現(xiàn)就職于山東農業(yè)大學）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，蔬菜分子設計育種團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、國家自然科學基金、中國農業(yè)科學院科技創(chuàng)新工程項目以及農業(yè)農村部園藝作物生物學與遺傳改良重點實驗室的資助。

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

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