Plant Physiol | 中国农科院蔬菜花卉所蔬菜分子设计育种团队揭示异源多倍体同源置换断点位置的活跃转录特征

近日，中国农业科学院蔬菜花卉研究所蔬菜分子设计育种团队在Plant Physiology期刊上发表题为“Regional Active Transcription Associates with Homoeologous Exchange Breakpoints in Synthetic Brassica Tetraploids”的研究论文，绘制了新合成异源四倍体早期世代的多组学图谱，揭示了同源置换（homoeologous exchange，HE）片段断点位置活跃转录的特征。

多倍化在植物进化和性状演化过程中起着至关重要的作用，对物种分化与多样性的形成，以及作物驯化均具有重要贡献。人工合成多倍体是促进作物多样性形成的有效手段之一，在作物育种中的应用也越来越广泛。先前的研究表明，染色体重排以及非整倍体现象在合成多倍体中常有发生，并伴随着表观遗传模式的重塑。然而，发生这种现象的机制以及对基因表达和植物表型的影响仍然未知。

图1 基因组结构、基因表达和DNA甲基化变异全景图

该研究利用了以芸薹属作物白菜和甘蓝为亲本进行远源杂交并基因组加倍得到的异源四倍体研究系统。通过对亲本、杂交F1以及四倍体后代的叶片进行连续多年的多组学测定研究，绘制了新合成四倍体早期世代在基因组片段、基因转录和甲基化修饰水平的动态变化图谱（图1）。研究发现，新合成的异源四倍体在自交后频繁发生大片段的HE事件，且其发生频率与两套亚基因组之间共线性水平正相关。这些多倍化后自交产生的大量HE事件，一方面破坏了多倍体后代的遗传一致性和稳定性，另一方面也创造了遗传多样性的材料。另外，该结果还提示了在利用HE引入外源片段的研究中，可以通过远源杂交后连续自交1-2代以获得高频渐渗率。位于HE片段内的基因，其表达水平表现出明显的剂量效应。但在这些HE片段内并没有检测到明显的甲基化水平变化。尽管全基因组甲基化水平在不同世代之间出现波动，甲基化水平的变化并没有在整体上对基因表达产生影响。进一步的研究发现，HE的断点位置多出现在基因内部，这些基因以及其临近基因在功能上没有显著的偏向性，但在基因序列长度及周边TE含量、转录以及甲基化水平等方面均提示其活跃转录的特征（图2）。

图2 HE断点位置特征

中国农业科学院蔬菜花卉研究所蔬菜分子设计育种创新团队的助理研究员蔡成成、博士毕业生杨印庆（现就职于山东农业大学）和副研究员张磊为该论文的共同第一作者，程锋研究员、王晓武研究员、张亢研究员和美国加州大学伯克利分校的Michael Freeling教授为该论文的共同通讯作者，蔬菜分子设计育种团队的多名教师和研究生参与了该工作。本研究得到了蔬菜生物育种全国重点实验室、国家自然科学基金、中国农业科学院科技创新工程项目以及农业农村部园艺作物生物学与遗传改良重点实验室的资助。

https://doi.org/10.1093/plphys/kiae434