农科院作物所张学勇团队在小麦族着丝粒DNA序列研究中取得新进展

       着丝粒是染色体的重要组成部分，介导染色体与微管的连接，并维持染色体的完整性。在种属间远缘杂种中，通常只有来自双亲一方的着丝粒特异组蛋白CENH3(centromere-specific histone 3)基因表达并形成功能蛋白，整合到染色体特定的区域，形成有功能的着丝粒。双亲着丝粒序列差异过大，可能引起受体物种CENH3蛋白不能正常整合到外源染色体上形成功能着丝粒区，导致外源染色体的丢失（Sanei et al. 2011）。近日，张学勇团队在小麦族着丝粒DNA序列研究中取得新进展。该团队在以往的研究中发现，着丝粒反转录转座子CRW和Quinta是小麦着丝粒DNA组成的核心序列，与CENH3蛋白向小麦染色体的整合密切相关（Liu et al. 2008; Li et al. 2013）。

      远缘杂交是作物品种改良的重要育种方法，在过去的100年里，科学家将小麦与许多近缘种属植物进行了杂交，其中十倍体长穗偃麦草（Thinopyrum ponticum）是小麦育种中利用最成功的多年生物种，从其杂种后代中选育出多个易位系和新品种，并培育出部分双二倍体（Partial amphiploids, 也称八倍体小偃麦）。但在很长一段时间，小麦和十倍体长穗偃麦草容易出品种的机制并不清楚，为了揭示十倍体长穗偃麦草容易产生易位系的原因，该团队与中国科学院遗传发育所李振声院士团队合作，以着丝粒为切入点进行了研究，取得以下主要结论。

1.小麦着丝粒关键序列CRW和Quinta的同源序列广泛存在于十倍体长穗偃麦草着丝粒区，但后者也有一些比较特异的着丝粒序列

     十倍体长穗偃麦草基因组复杂，其着丝粒序列也不清楚。研究人员首先通过Southern杂交发现小麦着丝粒反转录转座子CRW和Quinta广泛存在于十倍体长穗偃麦草及可能的祖先种中，但在大麦中确极少（图1）。随后，通过筛选着丝粒区特异BAC和ChIP-seq技术分别对二倍体拟鹅观草（十倍体长穗偃麦草供体之一，St）和十倍体长穗偃麦草进行着丝粒分析。发现除CRW和Quinta外，还有三类反转录转座子（Abigail，Abia和CL135）和卫星重复序列（CentSt）也是偃麦草着丝粒特异序列（图2、图3）。                                  图1. CRW（A）和Quinta（B）在小麦、偃麦草及其近缘野生种中的分布（上标代表不同小麦族植物的基因组）

       

图 2. 十倍体长穗偃麦草(A)、中国春(B)、小麦-十倍体长穗偃麦草部分双二倍体小偃693(C)和小偃784(D) ChIP-seq着丝粒相关序列富集图

 

2.八倍体小偃麦中着丝粒DNA序列处于快速进化之中

     为了探究从长穗偃麦草到八倍体小偃麦中着丝粒是否发生变化，研究人员通过免疫染色和DNA原位杂交对20世纪70年代培育的小偃693和小偃784进行了着丝粒序列分析，发现在小偃693中，CentSt、Abigail和Abia仍保持与CENH3蛋白的结合能力，而在小偃784中CentSt和Abia基本丧失了这种能力，说明在新物种中着丝粒DNA发生着快速的变化和调整，着丝粒DNA序列组成并非是永恒不变的（图3）。

图3. CRW，Quinta，Abigail，CentSt，Abia和CL135在十倍体长穗偃麦草、中国春、小偃693和小偃784细胞核中与CENH3的共定位分析

 

3.研究进一步证实E和St是十倍体长穗偃麦草的两个基本基因组

     十倍体长穗偃麦草的基本基因组组成是一个争论了很久的问题。张学勇等（Zhang et al. 1996）在GISH、八倍体杂种F1染色体配对、同工酶及分子标记的分析的基础上，提出用StStEeEbEx作为其基本基因组组成，但陈勤等认为十倍体长穗偃麦草只有St基因组片段，而无完整的St基因组, 并用JJJJsJs表示（J≈E，S=St）（Chen et al. 1998）。通过同一细胞的多重原位杂交分析，张学勇团队发现在十倍体长穗偃麦草中，St基因组染色体富含Abigail和CentSt，而E基因组染色体富含CRW和Quinta，进一步说明以StStEeEbEx作为十倍体长穗偃麦草的基因组更为合理，也说明着丝粒区域是多倍体中亚基因组分化的核心区域（图4）。 

 图4. Abigail，Quinta，CentSt和CRW在十倍体长穗偃麦草基因组中的分布

 

    2019年6月30日国际著名植物学刊物《The Pant Journal》以题为“Plasticity in Triticeae centromere DNA sequences: a wheat × tall wheatgrass (decaploid) model” 在线发表了上述研究成果（http://doi.org/10.1111/tpj.14444）。这项研究说明供体和受体着丝粒序列的同源性可能更有利于外源基因的成功转移，为今后远缘杂交育种中亲本的选择提供思路。南京农业大学在读博士研究生赵静和中国农业科学院郝薇薇博士为共同第一作者，张学勇研究员为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金31371622的资助。

主要参考文献：

Chen, Q., Conner, R.L., Laroche, A. and Thomas, J.B. (1998) Genome analysis of Thinopyrum intermedium and Thinopyrum ponticum using genomic in situ hybridization. Genome, 41, 580-586.

Li, B., Choulet, F., Heng, Y., Hao, W., Paux, E., Liu, Z., Yue, W., Jin, W., Feuillet, C. and Zhang, X. (2013) Wheat centromeric retrotransposons: the new ones take a major role in centromeric structure. Plant J, 73, 952-965.

Liu, Z., Yue, W., Li, D., Wang, R.R., Kong, X., Lu, K., Wang, G., Dong, Y., Jin, W. and Zhang, X. (2008) Structure and dynamics of retrotransposons at wheat centromeres and pericentromeres. Chromosoma, 117, 445-456.

Sanei, M., Pickering, R., Kumke, K., Nasuda, S. and Houben, A. (2011) Loss of centromeric histone H3 (CENH3) from centromeres precedes uniparental chromosome elimination in interspecific barley hybrids. Proc Natl Acad Sci USA, 108, E498-505

Zhang, X., Dong, Y. and Wang, R.R. (1996) Characterization of genomes and chromosomes in partial amphiploids of the hybrid Triticum aestivum x Thinopyrum ponticum by in situ hybridization, isozyme analysis, and RAPD. Genome, 39, 1062-1071.