PNAS發表小麥等異源多倍體物種部分同源重組事件重要進展

部分同源重組（homoeologous exchange, HE）特指異源多倍體中具有高序列相似度的部分同源染色體之間通過配對交叉（cross-over）而導致的大規模染色體片段交換的現象，影響著基因組的結構變化和基因表達。HE通常被控制減數分裂染色體配對行為的位點（如小麥屬中的Ph1和雲薹屬中的PrBn）所抑制，因此在很大程度上維持了減數分裂二價體配對並儘可能減少或避免了多價體的形成，後者通常導致染色體不穩定性及敗育。儘管如此，大量證據表明HE在天然及新合成異源多倍體中高頻發生並產生了生理和表型效應。在新合成異源多倍體中，HE提供了一種能夠快速產生基因組變異的機制：它是由於種間雜交導致的基因融合以及後續的全基因組加倍事件所產生的不可避免的結果。然而，與經典的同源重組（homologous recombination, HR）不同，控制HE產生的分子機制及對部分同源重組位點（HE junction）的系統性研究還鮮有報導。

本文主要利用新合成異源四倍體小麥（AADD），結合染色體螢光原位雜交、全基因組重測序和轉錄組測序技術，鑑定了高解析度的HE事件（圖一、二）並對HE junctions的基因組特徵及其遺傳學後果進行了探究。

圖一

圖二

由於減數分裂染色體隨機分配以及分裂後的配子選擇，絕大多數的部分同源重組事件為非交互式的，這導致了部分同源染色體上的DNA片段發生了重複-刪除現象（圖一、二）。發現HE junction表現出與同源重組熱點相似的的典型特徵，即：分布在低拷貝的染色體近端粒區並富集有CCN-重複基序。但與同源重組熱點主要位於基因的啟動子和終止子區域顯著不同的是，HE junction主要分布在基因的編碼區中，由此可以推斷HE具有產生新的融合轉錄本進而翻譯產生新的蛋白質序列變體的潛能（圖三）。同時，HE junction相關的部分同源基因具有較長的外顯子及較高的GC含量，這可能為部分同源染色體上部分同源基因對的配對和重組提供適合的同源性靶點（圖四）。進一步，利用RNA-Seq和位點特異性Sanger測序技術，本文作者在轉錄水平上驗證了由HE誘導的融合基因的表達模式（圖五）。

圖三

圖四

圖五

最後，本文作者利用公共資料庫中雲薹屬、芭蕉屬、擬南芥屬、水稻屬和花生屬異源多倍體的重測序數據和轉錄組數據獲得高解析度的HE junction數據集並發現其誘導基因內重組這一現象在物種間具有普遍性（圖六）。

圖六

本研究表明，異源多倍體中的HE雖然具有與HR相似的機制和基因組特徵，但前者優先發生在基因編碼區並導致了基因內重組的後果，這為異源多倍體中新基因和蛋白質進化（亞功能化或新功能化）提供了一種新穎的機制，也說明HE在多倍體進化中的作用或許比想像中的更為重要。本文研究結果為理解異源多倍體中HE的產生機制提供了新的見解，也可能為多倍體作物遺傳改良提供新的思路。

該研究成果於2020年6月9日在PNAS（美國科學院院刊）在線發表，題為Homoeologous exchanges occur through intragenic recombination generating novel transcripts and proteins in wheat and other polyploids (doi:10.1073/pnas.2003505117)。該研究得到國家自然科學基金委和國家留學基金委的資助。東北師範大學張志斌博士為論文第一作者。東北師範大學劉寶教授和以色列魏茲曼科學研究院Avraham A. Levy教授為論文共同通訊作者。