六倍体小麦为何如此稳定？张一婧研究组合作揭示同源转座子维持普通小麦多倍体亚基因组高级结构稳定性

来源：中科院分植物卓越中心

2021年1月8日，Genome Biology在线发表中国科学院分子植物科学卓越创新中心张一婧研究组与河南农业大学、中国农科院和河南科技学院合作完成的题为 “Homology-mediated inter-chromosomal interactions in hexaploid wheat lead to specific subgenome territories following polyploidization and introgression”的文章，通过解析矮抗58三维基因组揭示同源转座子参与维持普通小麦多倍体亚基因组高级结构稳定性。

科研进展

研究背景

染色体组多倍化是推动植物演化的重要因素, 是物种形成的主要途径之一。在全球广泛种植的普通小麦（Triticum aestivum, 2n = 6x =42, AABBDD）是经过两次多倍化事件形成的异源六倍体，含有三个相近但不完全相同的亚基因组（A、B、D）。A、B、D亚基因组在细胞中相对独立，减数分裂配对仅限于来自同一亚基因组的染色体伴侣，不同亚基因组的同源染色体间一般不会发生配对。但迄今为止，对亚基因组间和亚基因组内不同染色体之间互作机制的探索还少有报道。

百农矮抗58（AK58）是河南科技学院茹振钢教授历经30年培育成功的小麦优良品种，具有高产稳产、耐逆抗病、适应性广等特点，其选育及应用获得2013年度国家科技进步一等奖。2015年以来，河南农业大学、中国农科院作科所与河南科技学院联合开展了AK58的基因组测序与分析，基因组序列已在国内提前释放。该文为AK58系列文章之一。

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研究过程

在本研究中，作者首先通过分析染色质空间结构，发现AK58不同亚基因组的染色质在细胞中相对独立，亚基因组内部染色体之间的互作远大于亚基因组间染色体的互作（图1）。结合基因组序列比较，发现亚基因组内部染色体间的互作与亚基因组偏好转座子的存在密切相关，表明亚基因组特异性的转座子介导了亚基因组内部染色体间的高级结构互作（图2）。1BL/1RS易位染色体内部互作明显，但1RS与小麦其它染色体的互作显著降低，这可能与其特殊的转座子构成密切相关（图3）。综上，这些结果揭示了特异转座子参与维持多倍体亚基因组的稳定性以及外源渗入染色体片段的独立性，揭示了特异转座子在稳定多倍体亚基因组过程中的重要作用（模型图）。值得指出的是，不同的比对参数会获得完全不同的结论（图1），设置合适的比对参数对研究结果至关重要,并提示分析过程中可以利用参数对结果的影响揭示深层的分子机理。

模型图：亚基因组偏好的同源转座子介导亚基因组内部染色体间互作的模式图

图1.三维基因组测序揭示AK58亚基因组内部具有强互作。

a,b) 只用单一比对到的测序片段没有发现亚基因组内部强互作；

c,d) 包含多比对位置的测序片段发现亚基因组内部具有强互作，这与已有的细胞学证据吻合；

e,f) 利用随机片段不论单一比对(e)还是多比对(f)片段，都不能看到明显的亚基因组内部强互作，说明利用多比对所揭示的亚基因组内部强互作不是由于比对噪声导致的。

图2. 介导染色体间互作序列的特征。

a, 介导染色体间互作的序列富集序列同源片段。

b, Hi-C分析中的多重比对片段主要来源于亚基因组内部的染色体间互作。

c, 定义亚基因组特异性的转座子家族。

d, 亚基因组内部的染色体间互作富集各自亚基因组偏好的转座子家族。

图3.  黑麦1RS片段与小麦染色体间的互作明显偏少。

a-d, 与中国春相比，AK58 1RS片段与小麦染色体间互作明显偏少。

e, 1RS与1A和1D序列相似性低。

f, 1RS的转座子亚家族分布与小麦染色体存在明显差别。

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相关信息

该工作由河南农业大学，中国农业科学院，河南科技学院和中国科学院分子植物科学卓越创新中心等多家单位合作完成。中国科学院分子植物科学卓越创新中心张一婧研究员、中国农业科学院贾继增研究员和赵光耀研究员、河南农业大学王道文教授、河南科技学院茹振钢教授为论文的共同通讯作者。贾继增研究员，博士生谢忆琳、程静菲和孔垂正为论文的共同第一作者。河南农业大学崔党群教授和河南科技学院胡铁柱教授合作参与本项工作。本项目得到国家重点研发计划，国家“2011”计划河南省粮食作物协同创新中心建设资金以及中国科学院战略先导研究计划的资助。