遠(yuǎn)緣雜交與多倍化是被子植物物種大爆發(fā)的主要推動(dòng)力。全球半數(shù)以上的農(nóng)作物及其野生近緣種經(jīng)歷過(guò)遠(yuǎn)緣雜交及基因組加倍。在不同類群中，基因組的重排程度差異巨大。造成這一現(xiàn)象的分子機(jī)制一直是生物學(xué)中的重大科學(xué)問(wèn)題。雖然通過(guò)對(duì)現(xiàn)有物種的基因組分析提出了一些基因組演化理論，但缺乏實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。因此，創(chuàng)建一個(gè)基因組加速演化的研究模型非常重要。

 

　　近期，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所種質(zhì)資源團(tuán)隊(duì)在人工合成的蘿卜×甘藍(lán)（RRCC）異源四倍體中建立了基因組加速演化的研究模型，揭示了異源多倍體植物基因組早期演化特征，通過(guò)基因編輯促進(jìn)了同祖染色體重組和染色體剔除，首次誘導(dǎo)了能使配子迅速降倍的次級(jí)減數(shù)分裂。同時(shí)，在精細(xì)位點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)了基因定點(diǎn)轉(zhuǎn)換，創(chuàng)制了目標(biāo)位點(diǎn)嵌合新基因。該研究創(chuàng)制的人工多倍體演化模型為遺傳研究和育種提供了關(guān)鍵平臺(tái)。研制的染色體重組技術(shù)、基因定點(diǎn)轉(zhuǎn)換和新基因誘導(dǎo)技術(shù)為作物基因設(shè)計(jì)提供了重要工具。相關(guān)研究成果于2022年12月30日以Characterization and acceleration of genome shuffling and ploidy reduction in synthetic allopolyploids by genome sequencing and editing為題以research article形式發(fā)表在Nucleic Acids Research上。

 

　　十字花科包含蘿卜、白菜、甘藍(lán)、油菜、芥菜等重要的蔬菜作物、油料作物和調(diào)料作物。遠(yuǎn)緣雜交被廣泛的應(yīng)用于十字花科作物的種質(zhì)創(chuàng)新和遺傳育種。蘿卜屬和蕓薹屬作物分別獨(dú)立進(jìn)化出對(duì)方稀缺的優(yōu)良性狀和抗性基因。但是，屬間基因組的重組困難制約了優(yōu)良基因的穿梭轉(zhuǎn)育，使得遠(yuǎn)緣雜交育種難以取得實(shí)質(zhì)性突破。為了解決這一問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)前期創(chuàng)制和引進(jìn)了大量遠(yuǎn)緣雜交新種質(zhì)。該研究首先對(duì)一份自交8代以上的蘿卜×甘藍(lán)（RRCC）異源四倍體基因組測(cè)序，揭示了多倍體基因組的早期演化。發(fā)現(xiàn)人工合成的異緣多倍體中基因組的刪除速度很快，而基因組重排速度要慢得多。核心基因和高頻基因傾向于保留，而特有基因和低頻基因傾向于丟失。大片段的染色體刪除富集在異染色質(zhì)區(qū)，可能是染色體斷裂產(chǎn)生?；蚪M間的轉(zhuǎn)座主要發(fā)生在同源片段之間，并以短片段為主。表明基因轉(zhuǎn)換是遠(yuǎn)緣雜種基因組間遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)移的主要途徑。為加速基因組重排，在蘿卜×甘藍(lán)上建立了高效的基因編輯技術(shù)。通過(guò)編輯FANCM基因，提高了部分同源（homoeologous，也翻譯為同祖）染色體的重組效率，并首次誘導(dǎo)了能使配子基因組迅速降倍的次級(jí)減數(shù)分裂?；蚪M降倍在遠(yuǎn)緣雜交和倍性育種上具有重要應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)編輯FLIP基因，成功實(shí)現(xiàn)了基因定點(diǎn)轉(zhuǎn)換，創(chuàng)制了目標(biāo)位點(diǎn)嵌合新基因。研究結(jié)果揭示了新合成的異源多倍體基因組演化規(guī)律，首次建立了基因組加速重組、高效剔除、快速降倍的研究模型，并創(chuàng)建了同源基因精準(zhǔn)轉(zhuǎn)換以創(chuàng)造新基因的技術(shù)。該結(jié)果在多倍體人工演化研究、種質(zhì)資源創(chuàng)新和遺傳育種領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。

 

　　當(dāng)前的育種面臨嚴(yán)峻的資源限制和技術(shù)瓶頸。如果把每個(gè)基因比作一張牌，那么一個(gè)優(yōu)良的品種或一份優(yōu)異的骨干親本則是育種家幸運(yùn)地抓到的一副好牌，其形成和獲得具有很強(qiáng)的偶然性。本研究成果賦予育種家洗牌、分牌和換牌的主動(dòng)權(quán)。因而，這一革命性新技術(shù)將突破親緣關(guān)系對(duì)種質(zhì)資源可用性的制約，創(chuàng)制具有遠(yuǎn)緣優(yōu)勢(shì)的新品種、新材料和新基因。

 

　　該論文第一作者為中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所張曉輝副研究員及其指導(dǎo)的碩士研究生張雙雙、劉中萍。通訊作者為張曉輝副研究員和王海平研究員。該論文特別致謝了李錫香研究員的貢獻(xiàn)。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新工程及所級(jí)青年英才等項(xiàng)目的資助。

 

　　原文鏈接：https://academic.oup.com/nar/advance-article/doi/10.1093/nar/gkac1209/6965464