PNAS | 华中农业大学/中国农科院基因组所发现无融合生殖导致重组效率降低和非孟德尔分离

柑橘是典型的无性繁殖作物，栽培上依赖嫁接繁殖，多数种类具有无融合生殖（珠心多胚）特性，由珠心细胞直接发育成胚（即不定胚生殖），种子后代与母本遗传上完全一致。无融合生殖能固定杂种优势，在水稻、高粱、豆类等主要作物育种中应用前景广阔，但其绕过减数分裂，理论上会削弱纯化选择，导致有害突变积累。无融合生殖是否会影响重组过程？长期以来缺乏直接证据。因此，探究无融合生殖绕过减数分裂的遗传后果具有重要的育种价值和科学意义。

已有研究显示，大多数无融合生殖植物仍保留部分有性机制，为兼性无融合生殖。在山金柑（一种迷你柑橘）中，约2～9%的种子来自有性生殖，不定胚发育成熟也仍需花粉受精及中央细胞形成胚乳。对于二倍体，由于保留了单倍体配子体，花粉阶段仍可受到很强的纯化选择作用。前期研究定位了柑橘控制不定胚性状的关键基因RWP（Wang et al. Nature Genetics, 2017; Wang et al. National Science Review, 2022），基于群体基因组分析发现无融合生殖类型比有性生殖类型积累更多的杂合有害变异（Wang et al. PLoS Genetics, 2023），这些积累的有害变异如何影响有性生殖重组效率和等位基因分离，一直悬而未决。

近日，华中农业大学和中国农科院基因组所（大鹏湾实验室）合作在PNAS发表了题为Apomixis imposes evolutionary costs by reducing recombination efficiency and disrupting segregation的研究论文。该研究以兼具有性和无融合繁殖方式的二倍体野生山金柑为材料构建杂交群体，首次定量揭示了无融合生殖降低重组效率和破坏分离规律的遗传后果。

研究团队组装了有性生殖山金柑PN与无融合生殖山金柑DB的单倍型基因组。比对显示，无融合生殖山金柑基因组积累了更多杂合点突变和结构变异。以DB为父本、PN为母本进行杂交配置群体，对226个子代深度重测序，基于图泛基因组鉴定单倍型特异性SNP以追踪子代的区段来源和交叉位置。结果显示交叉在染色体末端更频繁，96%断点位于基因边界5 kb以内。自然群体历史重组率与杂交断点均表明，有性生殖与无融合生殖类型的重组热点位置差异不大，但无融合生殖山金柑基因组积累了更多杂合结构变异，这些变异会显著抑制自身及其两侧区域的重组。在局部杂合度低至中等时，杂合度与检出交叉数正相关，以单位杂合度对应的交叉数进行统计，DB重组效率比PN低24.2%。值得注意的是，前期定位的RWP所在无融合生殖决定区段未见重组抑制，仅由启动子MITE插入差异决定，与配子体无融合生殖的狼尾草、山柳菊等决定区段存在大尺度重组抑制不同。

无融合生殖绕过重组而积累的有害变异被以杂合状态掩盖，在偶发或强制有性生殖时随配子暴露于纯化选择。DB作父本时，隐性有害突变在单倍体花粉中集中暴露。在DB两条单倍型的比较中，31.7%的区段显著偏离1:1传递比例，而PN母本几乎无偏离。Chr2一段7.6 Mb区段显著偏分离，最高偏离指数达到1.0，即DB其中一条单倍型完全丢失。结合基因组语言模型PlantCAD2与SIFT注释鉴定到候选基因FhPRP，丢失的单倍型中存在C/A颠换，导致蛋白提前终止。其拟南芥同源基因是花粉管响应LURE吸引肽所必需的，因此携带该突变的雄配子无法遗传给后代。此外，Chr5存在87.4%（42.8 Mb）的区段显著传递偏差。花粉活力分析显示，无融合生殖DB为77.1%，显著低于有性生殖PN的96.1%，表明部分遗传负荷已在花粉期表达。四单倍型组合（预期1:1:1:1）分析显示偏分离常由单倍型间互作驱动，在3、4、6号染色体DB_hap1与PN_hap1组合显著过量，其中6号染色体优势组合不含衍生倒位，提示祖先型单倍型传递率更高。

图1. 无融合生殖与有性生殖山金柑的图泛基因组及后代杂交重组图谱

团队建立了偏分离指数随遗传距离指数衰减的模型，单个位点的偏分离由其选择系数与局部重组率共同决定，高重组环境如遗传过滤器可快速瓦解连锁不平衡。该模型有效拟合了Chr2的偏分离（估计局部重组率4.61 cM/Mb），并解释了Chr5的两个偏分离峰分别维持约40 cM和20 cM的衰减足迹。为捕捉中等及微效位点并解析多位点的叠加干涉，进一步假设基因组偏分离为多个离散位点效应的线性叠加（经tanh函数约束），邻近同向位点协同增强、反向位点拮抗削弱。应用于分离群体后，推断每条染色体的偏分离图谱由至少5个离散位点的互作形成，注释到159个候选基因，功能富集于DNA复制修复、细胞周期、RNA剪接、蛋白质加工及免疫信号、胁迫响应、次生代谢等适应性性状。

图2. Chr2显著偏分离、候选基因与突变鉴定及等位基因分离干涉模型

综上，该研究首次解析了柑橘无融合生殖的重组景观和遗传负荷，回答了减少有性生殖后重组如何演化、等位基因如何发生分离畸变的科学问题，对无性繁殖作物遗传改良和合成无融合生殖技术应用具有重要启示。

华中农业大学果蔬园艺作物种质创新与利用全国重点实验室邓秀新院士为通讯作者，中国农科院基因组所（大鹏湾实验室）助理研究员王楠博士为论文第一作者兼共同通讯作者。中国农业科学院黄三文院士提供了重要指导。华中农业大学郭文武教授、徐强教授、柴利军教授，中国热带农业科学院周永锋研究员，瑞典乌普萨拉大学Martin Lascoux教授，华南农业大学张斯淇教授，中国科学院华南植物园章为平副研究员和基因组所杨雨婷博士等参与项目研究。法国Sylvain Glémin研究员和澳大利亚Anna Koltunow教授提供了重要建议。该研究受国家自然科学基金青年科学基金项目（C类）、教育部学科突破先导项目等资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1073/pnas.2618289123