油菜倍性变化的遗传机制解析

作者:PBJ 2024/8/20 13:48:27
减数分裂重组是植物进化和育种过程中一个重要的生物学过程,它通过CO的形成在每一代中产生遗传多样性.然而,由于它们在基因组稳定性中的重要性,COs在频率和分布上受到高度调节.2024年8月9日,The Plant Cell杂志发表了法国国家农业、食品和环境研究所(INRAE)的一篇题为“Alternating between even and odd ploidy levels switches o

减数分裂重组是植物进化和育种过程中一个重要的生物学过程,它通过CO的形成在每一代中产生遗传多样性.然而,由于它们在基因组稳定性中的重要性,COs在频率和分布上受到高度调节.


2024年8月9日,The Plant Cell杂志发表了法国国家农业、食品和环境研究所(INRAE)的一篇题为“Alternating between even and odd ploidy levels switches on and off the recombination control, even near the centromeres”的研究论文.该研究用最近更新的甘蓝型油菜基因组,发现CO发生在异源三倍体的这些寒冷区域,距离着丝粒近375 kb.不同减数分裂基因的反转录定量PCR (RT-qPCR)结果表明,I类COs可能参与了异源三倍体中重组频率的增加.

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作者分析了具有不同倍性水平的芸芥杂交后代重组谱进化的第一步,研究了具有完全相同A基因型的异源四倍体(AnArCnCo)和异源三倍体(AnArCn) F1杂种及其回交后代的中期减数分裂行为.图1展示了关于基因型和用于创建这些杂交的方法.
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图1 同种异体三倍体杂交种具有预期的减数分裂行为,花粉和种子育性低于同种异体四倍体杂交种
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 图2 利用c -基因组特异性bo014o06探针研究不同异源三倍体和异源四倍体杂种中期染色体扩散的减数分裂行为.

3x-F1和4x-F1杂交种表现出预期的减数分裂行为,大多数pmc具有10个a二价+ 9个C一价的3x-F1和10个a二价+ 9个C二价的4xf1.
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 表1 本研究所用杂交种的减数分裂行为、花粉育性和结实率

3x-F1的花粉育性比4x-F1低.同样,3x-F1的每朵授粉花的种子数也比4x-F1低.然而,3x-F1是可育的.在第二代,选择了两个不同的携带不同杂合基因组区域的3x-B1F13x杂交种进行研究,以验证任何异体三倍体杂交种都会呈现相同的减数分裂重组模式.所选的2个3x-B1F13x杂种与3x-F1相比,减数分裂行为有所改善,它们表现出与亲本植物3x-F1相似的雄性生殖力和结实率.4x-B1F13x和4x-B1F14x的减数分裂行为、花粉活力和结实率也与4x-F1植株相似.
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图3  5个杂交种A01和A02染色体近中心区同源重组格局的比较.

在对着丝粒区进行研究时,发现4x-F1杂交种没有CO,而3x-F1杂交种总共有36个CO.这些CO在3x-F1中出现在离着丝粒边界375 kb处,而4x-F1杂交种检测到的最近CO位于离着丝粒边界4.5 Mb处.使用Gamma模型比较了这些杂交体之间的干扰强度,观察到,与4x-F1杂交种相比,3x-F1的干扰水平显著降低. 因此,在3x-F1杂交中,干扰被大大减少,但并未完全消除.
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图4 不同同种异体三倍体和同种异体四倍体杂种pmc中HEI10和gish样标记的免疫定位.

利用遗传图谱观察到的雌性减数分裂中,与4x-F1杂交体相比,3 - f1中CO频率的增加.随后通过HEI10免疫染色验证,在雄性减数分裂时在雄性减数细胞上标记I类CO.正如之前报道的那样(pelpele et al 2017),在芸苔异体三倍体中观察到的重组频率增加在雌性中高于雄性,这解释了遗传定位(雌性减数分裂)比HEI10免疫染色(雄性减数分裂)观察到的更高的增加.
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图5 杂交种中每个 A 二价型 HEI10 病灶的平均数量.

使用比较遗传定位或HEI10免疫染色,在4x-B1F13x中观察到的重组频率的下降比预期的要小,而在4x-F1和3x-F1之间观察到的重组频率为3.7倍.在4x-B1F13x中,重组频率的较小下降可能是由于同种异体三倍体步骤的残余效应或其回交起源,只有一半的基因组包含杂合区域并置于纯合区域.
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表2 杂交种和分离群体的特性

为了验证以上假设,使用遗传作图和he10免疫染色比较了4x-B1F14x和4x-F1杂交基因的重组频率.观察到,与4x-F1相比,4x-B1F14x的重组频率增加.作者还使用相同的一组标记比较了4x-B1F13x和4x-B1F14x的重组频率,与4x-B1F13x相比,4x-B1F14x的重组频率略高.

总之,这些结果强调了同种异体三倍体步骤的残余效应的缺失,并表明在第二代中观察到的重组频率的增加是回交的结果.

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图6  6个杂交种A基因组的同源重组图谱

为了解释在3x-F1杂交中观察到的修饰重组格局是否可以在下一代恢复到正常和严格的减数分裂控制,使用流式细胞术和分子细胞遗传学在3x-F1回交后代中寻找异体四倍体个体.总共鉴定了2个潜在的异源四倍体后代,最终选择了1个个体(称为4x-B1F13x,图1),A01和A02中心周围区域是杂合的(图3).在这个4x-B1F13x植株中,鉴定出了17个多态性区域,总计约占A基因组的一半.作者在4x-B1F13x和3x-F1之间进行了比较遗传定位(图6,表2),发现4x-B1F13x的重组频率比3x-F1杂交的重组频率显著降低2.6倍(表1).使用HEI10免疫染色对a二价进行减数分裂也观察到I类COs显著降低.
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图7  3个倍性水平7个减数分裂基因的相对转录水平.

与亲本相比,与CO前体和I类CO相关的基因(DMC1、ASY3、ZYP1、HEI10和MSH4)在同体三倍体3x-F1 AAC杂种中转录率更高,但只有少数基因表现出统计学上的显著差异.

本研究表明,一些减数分裂基因的转录组失调可能参与了异源三倍体重组格局的改变.在同种异体三倍体杂种AAC中观察到重组模式的大量改变,预计这可能涉及许多基因和分子机制.以非整倍体为中间体的异源三倍体在多倍体遗传多样化和潜在适应中发挥重要作用,促进多倍体的潜在建立和物种形成的成功.这些结果进一步支持了异体三倍体作为多倍体物种形成的桥梁的重要性.


原文链接:
https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koae208/7731075?login=true
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