Nature | 通过RNAi驱动的玉米驯化过程

通过杂交引入新的遗传变异，提高群体在新环境下的适应性，是进化过程的重要推动力。然而，不同基因组的杂交可能导致杂交不育、败育或坏死。Bateson-Dobzhansky-Muller (BDM) 模型通过不同种群中有害突变的相互作用解释了这种情况。 当杂合位点的一个等位基因欺骗性地进入不成比例的功能配子时，就会发生减数分裂驱动，这违反了孟德尔的平等分离定律。减数分裂驱动对进化的影响是巨大的，这种现象与多种生物体的不孕和生殖隔离有关。染色体驱动发生于雌配子中，指的是雌配子不均等分离过程中染色体分离的操纵过程。基因驱动发生于雄配子中，能够使特定的基因型偏向性地遗传给后代。

自私遗传元件 (Selfish genetic elements, SGEs) 采用对自身有利的方式进行传递，它们在生物中广泛存在,在生物进化中具有不可替代的重要作用。SGEs被认为是生物基因组的重要部分,它们以低拷贝数长期稳定地寄生在宿主及其基因组中，导致杂交的不相容性。SGEs通常对群体的环境适应性和育性有所影响，减速分裂驱动依赖于SGEs。虽然驱动系统已经被广泛预测存在，但大多数驱动系统仍处在未知状态，缺少明确的实验证明其机制及如何通过遗传连锁影响种群的基因分布。

近日，冷泉港实验室Robert A. Martienssen课题组在Nature发表题为Teosinte Pollen Drive guides maize diversification and domestication by RNAi的研究论文，通过玉米和大刍草的杂交渐渗系创制了一种雄性特异性分离偏移系统，作者称为大刍草花粉驱动（Teosinte Pollen Drive, TPD)。通过对该系统单分子和单花粉基因组测序描述了玉米与大刍草杂交过程中的基因驱动，证明了小干扰RNA(siRNAs)与玉米5号染色体着丝粒密切的遗传关系，揭示了TPD在玉米传播和驯化过程中的作用。

玉米与大刍草的杂交是单侧杂交不亲和的，只能通过将大刍草花粉给玉米授粉实现杂交，因此导致了大刍草到玉米的不对称基因流动。作者首先将多个大刍草属植物的花粉授于玉米W22株系上以探索杂交对后代生殖的影响。结果证实存在两个负责花粉活性的非连锁位点，且仅通过花粉遗传给后代的所有个体。

通过对两个纯合的TPD株系测序发现了408031个高置信度的SNP位点，这些位点于大刍草基因渗入区域相对应。对TPD植物的单个活性花粉粒进行基因组测序发现多次回交后有几个区间的基因频率显著升高。其中5号和6号染色体的渗入间隔一致。作者将这两个位点命名为TPD1和TPD2。

通过对TPD1、TPD2 BC8S3幼苗的基因组从头组装，结合单花粉测序数据鉴定到了10个基因，其中包含一个DCL2在保守结构域中存在多个错义替换。DCL2负责合成22-nt siRNA，并可以与RDR6和SGS3协同产生次级小RNA。通过观察DCL2及其协同基因的突变体表型发现，初级小RNA可以阻断花粉败育毒素的产生，次级小RNA则起到了解毒剂的作用。

对突变体植物的小RNA测序，鉴定到Zm00004b012122显著富集了异位的siRNA，该基因编码了一个GDSL Lipase，作者将该基因定义为TPD1毒素靶向活性的候选基因，命名为Teosinte drive responder 1 (TDR1)。利用改进的TPD花粉降解组测序技术，作者确定了TDR1可能触发沉默的位点，并在TPD1单倍型中找到了能产生触发沉默的siRNA的非编码RNA。

对传统玉米种群基因组研究发现，玉米5号染色体着丝粒周围存在一个大刍草来源的单倍型，且连锁不平衡率很高。TDR1在传统玉米品种中是单态的，但在大刍草中存在着极高的多态性。

综上所述，DCL2产生来自大刍草的22-nt小RNA，靶向于编码了花粉活力相关的脂肪酶TDR1，在花粉中作为SGEs发挥作用。TPD可能在玉米驯化和基因多样化过程中发挥了重要作用。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07788-0