人工合成水稻雜交種和四倍體核質協同進化

《人工合成水稻雜交種和四倍體核質協同進化》是依託東北師範大學，由宮磊擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：人工合成水稻雜交種和四倍體核質協同進化
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：宮磊
• 依託單位：東北師範大學

項目摘要

多倍化/全基因組加倍現象作為貫穿於整個高等植物進化歷史中的重要事件, 是推動植物物種形成與進化過程的重要推動力之一。近年來, 關於多倍化過程對基因組各個層面影響的研究大量湧現, 研究結果顯示多倍化能夠在基因組水平、基因表達水平以及表觀遺傳水平上引發大量變異。然而, 基因組的加倍必然會導致核質比例的改變, 有關多倍化後尤其是多倍體加倍初期，核基因組和單倍的細胞質基因組如何兼容的問題一直缺乏系統的研究。本研究擬通過採用Sanger測序、第二代測序(NGS, Next Generation Sequencing)，蛋白測序和定量的實驗技術，對水稻亞種間新合成的正反交雜交種及異源四倍體核心質共編碼蛋白複合物的基因進行分析。通過在基因序列、基因轉錄表達和蛋白表達水平上的比較研究，闡釋在雜交後及多倍化早期核質協同的主要模式和機制，並在此基礎上，探討核質協同與水稻異源多倍體多態性表型之間存在的可能關係。

結題摘要

多倍化是植物物種形成和進化的重要驅動力之一。多倍化過程能夠引發基因組、基因表達以及表觀遺傳修飾的大量變異。基因組的加倍事件必然會導致核質比例的失調（含雙親基因組的細胞核和單一親本的細胞質），核內雙親核基因組需要與細胞質內單一親本的細胞器基因組達到相應的協調是所有異源多倍體形成和進化過程中面臨的共性問題。已有的研究利用Rubisco 的大小亞基編碼基因rbcL和rbcS為模型，分析並發現了在自然多倍體中，多倍體在基因序列和基因轉錄水平上有著明顯的核質協同進化現象，即：核內父本rbcS基因會發生偏向母方的基因轉換和偏倚性表達母方基因拷貝的現象。然而，有關在雜交後以及多倍體形成初期核基因組和親本的細胞質基因組如何協調仍舊缺乏系統的研究。在本項目中，我們綜合利用了Sanger測序、第二代測序以及其它相關分子生物學研究技術，對水稻亞種間新合成的正反雜交種以及異源四倍體體核心質共編碼蛋白複合物Rubisco的基因進行了系統的核質協同分析。通過研究發現，水稻亞種之間的rbcS基因存在著突變差異且呈現為協調均質的進化模式；在水稻雜交種和異源四倍體水稻中，親本來源的rbcS等位基因或者部分同源基因的偏倚表達模式不一致，也沒有偏向母系親本拷貝的偏倚轉換髮生。相反，在異源四倍體水稻中，我們觀察到不同親本部分同源的rbcS基因間發生了明顯的隨機轉換，並且在正反雜交種和異源四倍體中rbcS部分同源基因呈現為隨機偏倚性表達。本項目揭示了在多倍體形成初期，水稻亞種間雜交種和異源四倍體未呈現出理想的核質協同模式。究其原因，可能由於親本水稻亞種的核基因組和葉綠體基因組序列高度相似，胞質對親本細胞核基因選擇壓力較弱，後者並不需要轉換為與母系親本拷貝一致狀態來達到較為理想的核質協同狀態；或者是由於水稻亞種間雜交種和異源四倍體的母方細胞質還沒有足夠的進化時間對雙親細胞核基因進行選擇，因此沒有呈現出明顯的序列轉換和基因表達的偏移。以上研究成果加深了我們對多倍化在植物物種形成和進化過程作用的認識，也為解釋水稻異源多倍體表型多態性提供了一定的理論基礎。