PNAS | 东北师范大学宫磊团队揭示细胞器基因组分化程度与环境胁迫对核质协同转录响应的影响

在长期的内共生演化过程中，细胞核和胞质细胞器通过复杂的信息交流形成了紧密的互作关系，对真核生物的适应性进化和表型塑造起到了重要作用。自然界广泛存在的异源多倍体植（作）物 其 核质互作关系更为复杂，需要 解决 非母方来源的核亚基因组与单一母系遗传的细胞器基因组之间潜在的 不 兼容性问题；过往的研究以细胞器靶向性（ NOT ）基因为切入点，从基因序列和转录表达等层面明确了核质协同进化对其 不 兼容性的调和作用。然而，核质协同进化的基础理论模型仍需补充完善，如：细胞器来源的核质不兼容性选择压力其影响因素尚不明确，其与核质协同响应之间的关系还仍有待阐明；同时，核质互作协同响应的分子调控基础也尚未解析。

近日，东北师范大学宫磊教授团队在PNAS上发表了题为Organellar genome divergence and environmental stress induce transcriptional cytonuclear responses in wheat alloplasmic hybrids的研究论文，利用 Tsunewaki Koichiro教授 创制的 以中国春小麦为细胞核底盘的小麦 / 山羊草属物种胞质替换系材料，揭示了细胞器基因组分化程度与环境胁迫对核质协同转录响应的 影响 ，为 异源 多倍体作物核质协同进化理论提供了新见解。

该研究首先通过系统发育分析验证了 不同 核质替 换 系 材料 的细胞器基因组来源 及核基因组纯度（图 1A-B ） 。其次， 转录组 分析 发现 ， 在携带远缘 D/D* 谱系细胞器的核质替 换 系中，核亚基因组倾向于优先表达细胞器供体亲本同源的 D 亚基因 组 部 分 同源基因，而近缘 B 谱系 细胞器 的导入并 未引发 响应亚基因组的 转录偏倚 模式 （图 1C ）。 该 现象表明 ， 细胞器与核基因组的遗传距离是核质转录协同响应的重要决定因素。 值得注意，高光 胁迫 处理 可显著 诱导 D 谱系细胞器 影响下的 核 D 亚基因组 的 转录偏倚（图 1C-D ）， 暗示 环境 胁迫 可能通过细胞器逆向信号通路放大核质互作的选择压力。 最后 ， 基于 CS- Aegilops juvenalis （ 2D 2 型）核质替 换 系 的 甲基化组分析 发现， 高光胁迫后 D 亚基因组 NOT 基因转录起始区（ TSS ） CG 位点 的 DNA 甲基化水平显著降低（图 1E-G ）， 这 表明表观遗传修饰可能通过激活特定亚基因组同源基因的表达来维持 转录水平的 核质兼容。这一发现为表观调控 参与异源多倍体化背景下的 核质协同提供了直接证据。

综上所述，该研究揭示了细胞器基因组分化程度与环境胁迫可共同驱动核质转录协同响应，并 暗示 表观遗传调控可能是 维持异源 多倍体作物 核质兼容性 的重要分子开关。该工作不仅拓展了核质协同进化理论，也为利用核质互作提升 异源 多倍体作物环境适应性提供了新思路。

东北师范大学为论文第一完成单位，张志斌副 教授和 宫磊 教授为共同通讯作者， 博士生赵越、张可人博士 和李过博士 为 论文 共同第一作者。 美国爱荷华州立大学 Jonathan F. Wendel 教授、中国农业大学倪中福教授 、东北师范大学刘宝教授 为本研究提供了重要指导和大力支持 。本研究得到 国家科技计划项目科技创新 2030- 重大项目、国家自然科学基金等项目的资助。

该团队一直致力于杂交加倍背景下的核质协同互作研究，以第一作者单位发表系列论文，包括 PNAS （ 202 3, 2022 ）（DOI:10.1073/pnas.2310881120）， (DOI:10.1073/pnas.2200106119) ， Molecular Biology and Evolution ( 2022 ) (DOI:10.1093/molbev/msac228) 。

论文链接：

https://doi.org/10.1073/pnas.2424424122