一作解读|mc-FISH解析新合成硬粒小麦-偏凸山羊草异源多倍体早期世代的染色体行为模式

异源多倍化是推动植物进化的重要动力，是物种形成的重要机制。许多重要粮食作物和经济作物，如小麦、高粱、燕麦、甘薯和油菜等在其进化过程中都经历了异源多倍化事件。小麦族物种作为研究多倍化进化的经典样本，目前已有一些关于新合成的小麦族异源多倍体后代染色行为模式的研究报道。这些研究发现，新合成的小麦族异源多倍体中会出现大规模的染色核型变异（数量变异及结构变异）（Mestiri et al., 2010; Zhang et al,. 2013），并且染色体丢失存在偏好性。但是目前尚未见新合成麦类异源多倍体后代染色体行为模式与细胞质关系的报道。

为了深入探索麦类多倍化初期染色体行为模式，本研究通过正反交，新合成了硬粒小麦（T. turgidum var. durum cv. Langdon，2n=28，AABB）和偏凸山羊草（Aegilops ventricosa cv. RM271，2n=28，DvDvNvNv）异源双二倍体。为了对其后代进行准确多色荧光原位杂交（mc-FISH）鉴定，本研究首先建立了以Oligo-pSc119.2、Oligo-pTa535和Oligo-（GAA）7为探针的硬粒小麦Langdon A，B染色体组和偏凸山羊草RM271 Dv, Nv的标准核型（图1）。并将来自粗山羊草（Aegilops tauschii, 2n=14，DD，本研究中记为DtDt）的Dt 染色体组、来自普通小麦（Triticum aestivum L., 2n=42, AABBDD，本研究中其D组记为Db）的Db染色体组以及来自偏凸山羊草的Dv染色体组进行了核型比较。结果显示，串联重复序列探针在Dt、Db和Dv三种D染色体组上的分布模式非常相似，而简单重复序列探针Oligo-（GAA）7在三种D组上分布模式则有较大差异。该结果表明串联重复序列在进化过程中比简单重复序列更加保守。另外，Dv和Dt组都有明显的Oligo-（GAA）7信号，而Db组则几乎不表现该探针信号。该结果表明，Dv和Dt组在进化过程中都发生了简单重复序列的扩张。从而我们推断，偏凸山羊草的形成时间（D组与Nv组的结合）可能晚于普通小麦的形成（D组与AABB组的结合）。

图1. 硬粒小麦 Langdon (A,B), 偏凸山羊草Ae. ventricosa cv. RM271 (C,D),粗山羊草 Ae.tauschii SQ 665 (E,F), 中国春小麦(CS) (G,H), 以及 A, B, Dv, Dt, Db, Nv 染色体组(I)的FISH核型, 其中 FISH探针为Oligo-pSc119.2 (绿), and Oligo-pTa535 (红). (B, D, F, H)  Oligo-(GAA)7 (黄).  核型(I)分析的A, B来自硬粒小麦，Dv、Nv 来自偏凸山羊草 RM271; Dt来自粗山羊草 SQ 665; Db 来自中国春小麦的D染色体组.

随后我们准确鉴定了正反交群体各S3和S4代总共381株单株染色体核型（T. turgidum × Ae.ventricosa的S3代124株，记为组1；Ae.ventricosa×T. turgidum的S3代53株，记为组2；T. turgidum × Ae.ventricosa的S4代103株，记为组3；Ae.ventricosa×T. turgidum的S3代101株，记为组4）。在以上四个组中，非整倍体的出现频率范围为67.74% ~ 86.41%，显著高于整倍体频率（t-test, p = 0.000）（图2）。对染色体组行为而言，Dv组丢失频率高达50.27% (Chi-square test, p = 0.00)（图3），显著高于其他染色体组。这一结果与许多前人研究一致（Dou et al., 2006; Hao et al., 2013; Li et al., 2015）。按照“pivotal-differential” 基因组进化假说，D组做为核心基因组应非常稳定。但是根据本研究及前人研究结果，当有其他染色体组进入遗传背景时，D组更易受到冲击。因此，我们认为该假说似乎并不适用于新合成的异源多倍体的早期世代。另外，在四个群体中我们也发现较高的染色体结构变异频率（10.24%）。其中，B组染色体发生结构变异的频率显著高于其他染色体组。这也许与B组较高的异染色质含量及较大的染色体体积有关(Zhang et al., 2015)。多倍化早期世代发生的高频染色体数目及结构变异对于物种形成具有重要意义：高频的染色体变异为群体提供了更丰富的环境适应功能以应对多变的自然环境，最后通过自然选择促使了新物种的诞生（Han et al., 2015）。

图2. 在正反交产生4组后代中非整倍体的分布(A)以及整倍体与非整倍体的频率比较(B).

图3.  杂交后代中4个染色体组的丢失和获得的频率比较

最后，我们对正反交两个群体染色体的行为模式进行比较发现，非整倍体频率、染色体丢失/获得、染色体结构变异在正反交群体间皆无显著性差异；各个染色体组（A, B, Nv组）丢失频率在正反交群体之间也无显著性差异；偏凸山羊草做母本的后代的Dv组丢失频率显著低于硬粒小麦作为母本的后代（图4）。以上结果表明，（1）细胞质并不能影响新形成的麦类异源多倍体早代整倍体的出现频率；（2）虽然D组不稳定，但是携带D组的麦类异源多倍体也许可以通过D组供体物种作为母本的这种杂交方式在自然界中保留下来。

图4. 正反交后代中染色体行为的偏离分析.

(A) 非整倍体频率; (B) 染色体丢失频率; (C)染色体获得频率; (D) 染色体结构变异频率; (E–H) A, B, Dv, Nv基因组的染色体丢失频率.

2020年5月12日，这一研究成果发表在期刊《Frontiers in Genetics》上(http://journal.frontiersin.org/article/10.3389/fgene.2020.00330)，题目为“Preferential subgenome elimination and chromosomal structural changes occurring in newly formed Triticum durum-Aegilops ventricosa amphiploid (AABBDvDvNvNv)”。 论文第一作者为四川省农业科学院生物技术核技术研究所张洁副研究员，通讯作者为四川省农业科学院作物研究所杨武云研究员。本研究受到国家自然科学基金资助项目、四川省科技厅应用基础重点项目等项目资助。

参考文献：

1. Mestiri, I., Chague, V., Tanguy, A.-M., Huneau, C., Huteau, V., Belcram, H., et al.(2010). Newly synthesized wheat allohexaploids display progenitor-dependent meiotic stability and aneuploidy but structural genomic additivity. New Phytol. 186, 86–101. doi: 10.1111/j.1469-8137.2010.03186.x

2. Zhang HK, Bian Y, Gou XW. et al. 2013a. Persistenet whole-chromosome aneuploidy is generally associated with nascent allohexaploid wheat. Proc Natl Acad Sci USA. 2013a, 110(9): 3447–3452.

3. Dou, Q. W., Tanaka, H., Nakata, N., and Tsujimoto, H. (2006). Molecular cytogenetic analyses of hexaploid lines spontaneously appearing in octoploid Triticale. Theor. Appl. Genet. 114, 41–47. doi: 10.1007/s00122-006-0408-x

4. Hao, M., Luo, J. T., Zhang, L. Q., Yuan, Z. W., Yang, Y. W., Wu, M., et al. (2013). Production of hexaploid triticale by a synthetic hexaploid wheat-rye hybrid method. Euphytica 2013, 347–357. doi: 10.1007/s10681-013-0930-2

5. Li, H., Guo, X. X., Wang, C. Y., and Ji, W. Q. (2015). Spontaneous and divergent hexaploid Triticales derived from common wheat ×rye by complete elimination of D-genome chromosomes. PLoS One 10:e0120421. doi: 10.1371/journal.pone. 0120421

6. Zhang, J., Jiang, Y., Guo, Y. L., Li, G. R., Yang, Z. J., Xu, D. L., et al. (2015). Identification of novel chromosomal aberrations induced by 60Co-γ-Irradiation in wheat-Dasypyrum villosum Lines. Int J Mol Sci. 16, 29787–29796. doi: 10.3390/ijms161226134

7. Han, T. S., Wu, Q., Hou, X. H., Li, Z. W., Zhou, Y. P., Ge, S., et al. (2015). Frequent introgressions from diploid species contribute to the adaptation of  the tetraploid Shepherd’s Purse (Capsella bursa-pastoris). Mol. Plant 8, 427–438. doi: 10.1016/j.molp.2014.11.016

1. 舶来赏析|New Phytologist：小麦-山羊草物种的染色体重建

2. 一作解读 | PNAS: 生态选择和染色体重排驱动野生二粒小麦同域物种形成

3.利用重测序鉴定小麦远缘杂交染色体结构变异

4. 小麦多倍化过程中的4A染色体结构变异

5. 鉴定中国小麦染色体重排和多态性