新合成六倍体小麦耐受非整倍体的分子基础研究

转载自：小麦研究联盟 作者：曾德英 郝明

染色体或染色体片段增加或减少导致的非整倍化，往往会导致大多数的动物或人类出现严重的表型缺陷症，甚至致死。不同的是，多倍体植物表现出高度的非整倍体耐受性。例如，从头利用四倍体小麦（Triticum turgidum）和二倍体节节麦(Aegilops tauschii)合成的人工合成小麦，不同世代的非整倍体频率高达20-100%。这为我们研究多倍体植物对非整倍化耐受性提供了材料基础。

利用FISH和GISH，我们从同一株新人工合成小麦自交后代中，鉴定了四种类型的非整倍体：包括4B单体（M4B）、4B三体（Tri4B）、2A染色体片段错位重复（SegT2A）以及SegT2A背景下的7B缺体（N7B+SegT2A）。利用RNA-seq技术，我们分析基因表达对这些染色体变异的响应规律。主要结果如下：

1.非整倍化引起的差异表达基因中，顺式调控（即差异表达基因位于变化染色体上）占绝对优势。与整倍体相比，M4B、Tri4B和SegT2A分别有93.2%（1029/1104）、95.3%（225/236）和80.1%（265/331）的差异表达基因是顺式调控表达。这与前人对普通小麦中国春非整倍体的研究结果不一致，即在中国春非整倍体中，反式调控（即差异表达基因位于非变化染色体上）基因数量比顺式调控多。这表明，基因表达模式在小麦多倍化后经历了一个明显的进化过程。另一方面，部分同源群上的基因并没有表现出对缺失染色体基因的表达响应。

图1非整倍体和整倍体基因表达水平差异倍数分布图

2.绝大多数基因的表达水平与其染色体剂量（或拷贝数）呈正相关。与整倍体相比，4B单体和4B三体在4B染色体上的基因表达水平表现出明显的倍数变化关系，即三体增加了0.5倍，而单体降低了0.5倍；SegT2A的2A染色体73.2-182.3 Mb区间（即发生错位重复的染色体片段）基因表达水平则上调约一倍。其他未变化染色体或染色体区段上基因的表达水平没有发生明显的变化（图1）。相关性检验表明，4B染色体上85.5%表达基因的表达水平与剂量呈线性正相关，即4B单体、整倍体和4B三体的基因表达水平和染色体剂量符合1：2：3的关系（FDR<0.05）；在2A染色体73.2-182.3 Mb区域内，77.4%表达基因的表达丰度符合整倍体：SegT2A=2：4（FDR<0.05）。

3.部分同源基因的表达能缓冲非整倍化引起的基因表达水平变化，特别是针对单条染色体（或片段）的缺失或增加。以4同源群表达的triads为例，从表达水平的差异倍数分布来看，M4B、Tri4B与整倍体的triads表达差异倍数拟合线均十分靠近基线0（图2）。这表明，4B染色体变化引起的基因表达水平变化被4A和4D的部分同源基因所稀释，表现出明显的缓冲效应。进一步的统计检验表明，Tri4B和整倍体间仅有1个triads显著差异表达，而M4B与整倍体间没有显著差异表达的triads（方差分析, FDR<0.05）。结果表明，未变化的部分同源染色体上的基因表达稀释了剂量变化基因引起的表达水平改变。然而，当两个拷贝的染色体（或片段）剂量变化时，差异表达的triads数显著增多，Euploid vs SegT2A中有27.9%的2同源群triads差异表达，SegT2A vs N7B+SegT2A中则有49.1%的7同源群triads差异表达。这可能与人工合成六倍体小麦中缺体和四体很少见的现象相关。因此，物种本身的倍性水平可能与其耐受非整倍体的能力显著相关。这就解释了为什么在倍性略低的异源四倍体Brassica和Tragopogon中，单体通常伴随着部分同源染色体三体补偿，而缺体则伴随着部分同源染色体四体补偿的现象。

图2非整倍体和整倍体基因（左）和triad（右）表达水平倍数分布情况

进一步分析整倍体的triads部分同源基因间的表达模式，发现其整体上与现代小麦具有比较类似的部分同源基因表达关系，即大部分triads属于平衡表达模式，而单个部分同源基因显性表达的triads十分稀少（图3a, 3b）。同时发现，SegT2A和N7B+SegT2A中的差异表达triads主要由相应的2A和7B染色体部分同源基因高表达的triads贡献（图3c, 3d）。

图3整倍体triads和非整倍体差异表达triads的部分同源基因表达分布

同时，我们发现SegT2A含有的73.2-182.3 Mb片段错位重复变异2A染色体，在杂合状态下，变异的2A染色体和正常的2A染色体能够正常地配对和分离；而且，纯合的突变体相比较于整倍体，在穗长上具有明显的优势。这暗示通过染色体片段的错位重复，增加基因的拷贝数，能够显著地改良部分性状，这可能是利用人工合成小麦染色体结构变异育种的一种重要形式。

2020年3月4日BMC Plant Biology杂志在线发表了四川农业大学小麦研究所刘登才团队和中国农业科学院作物科学研究所毛龙团队合作的这一成果（https://doi.org/10.1186/s12870-020-2309-6）。该研究得到国家重点研发计划（2016YFD0102000）和国家自然科学基金项目（31661143007）的资助。