一作解读| PNAS发表小麦等异源多倍体物种部分同源重组事件重要进展

部分同源重组（homoeologous exchange, HE）特指异源多倍体中具有高序列相似度的部分同源染色体之间通过配对交叉（cross-over）而导致的大规模染色体片段交换的现象，影响着基因组的结构变化和基因表达。HE通常被控制减数分裂染色体配对行为的位点（如小麦属中的Ph1和云薹属中的PrBn）所抑制，因此在很大程度上维持了减数分裂二价体配对并尽可能减少或避免了多价体的形成，后者通常导致染色体不稳定性及败育。尽管如此，大量证据表明HE在天然及新合成异源多倍体中高频发生并产生了生理和表型效应。在新合成异源多倍体中，HE提供了一种能够快速产生基因组变异的机制：它是由于种间杂交导致的基因融合以及后续的全基因组加倍事件所产生的不可避免的结果。然而，与经典的同源重组（homologous recombination, HR）不同，控制HE产生的分子机制及对部分同源重组位点（HE junction）的系统性研究还鲜有报道。

本文主要利用新合成异源四倍体小麦（AADD），结合染色体荧光原位杂交、全基因组重测序和转录组测序技术，鉴定了高分辨率的HE事件（图一、二）并对HE junctions的基因组特征及其遗传学后果进行了探究。

图一

图二

 

由于减数分裂染色体随机分配以及分裂后的配子选择，绝大多数的部分同源重组事件为非交互式的，这导致了部分同源染色体上的DNA片段发生了重复-删除现象（图一、二）。发现HE junction表现出与同源重组热点相似的的典型特征，即：分布在低拷贝的染色体近端粒区并富集有CCN-重复基序。但与同源重组热点主要位于基因的启动子和终止子区域显著不同的是，HE junction主要分布在基因的编码区中，由此可以推断HE具有产生新的融合转录本进而翻译产生新的蛋白质序列变体的潜能（图三）。同时，HE junction相关的部分同源基因具有较长的外显子及较高的GC含量，这可能为部分同源染色体上部分同源基因对的配对和重组提供适合的同源性靶点（图四）。进一步，利用RNA-Seq和位点特异性Sanger测序技术，本文作者在转录水平上验证了由HE诱导的融合基因的表达模式（图五）。

图三

 

图四

 

图五

 

最后，本文作者利用公共数据库中云薹属、芭蕉属、拟南芥属、水稻属和花生属异源多倍体的重测序数据和转录组数据获得高分辨率的HE junction数据集并发现其诱导基因内重组这一现象在物种间具有普遍性（图六）。

图六

本研究表明，异源多倍体中的HE虽然具有与HR相似的机制和基因组特征，但前者优先发生在基因编码区并导致了基因内重组的后果，这为异源多倍体中新基因和蛋白质进化（亚功能化或新功能化）提供了一种新颖的机制，也说明HE在多倍体进化中的作用或许比想象中的更为重要。本文研究结果为理解异源多倍体中HE的产生机制提供了新的见解，也可能为多倍体作物遗传改良提供新的思路。

该研究成果于2020年6月9日在PNAS（美国科学院院刊）在线发表，题为Homoeologous exchanges occur through intragenic recombination generating novel transcripts and proteins in wheat and other polyploids (doi:10.1073/pnas.2003505117)。该研究得到国家自然科学基金委和国家留学基金委的资助。东北师范大学张志斌博士为论文第一作者。东北师范大学刘宝教授和以色列魏兹曼科学研究院Avraham A. Levy教授为论文共同通讯作者。