中美科學家合作揭示甘藍型油菜育性相關基因功能與進化歷史

2020-11-20 BioArt植物

New Phytol. | 中國農科院油料所/美國賓夕法尼亞州立大學合作揭示甘藍型油菜育性相關基因功能與進化歷史


撰文 | 曾新華、李浩

責編 | 逸雲


新基因（或類群特異基因）存在於幾乎所有已被全基因組測序的動植物中，並對關鍵創新性狀的產生和物種多樣性具有重要作用【1】。雄性不育是油菜雜種優勢利用的最主要途徑，發掘具有實用價值的油菜雄性不育基因對我國油菜雄性不育系統研究具有重要意義。已有研究表明，MS5基因是油菜中與雄性育性相關的新基因，具有多個對雄性育性有不同作用的等位基因【2】。


近日，中國農業科學院油料作物研究所油料基因工程與轉基因安全評價團隊和美國賓夕法尼亞州立大學馬紅團隊合作在New Phytologist在線發表題為Evolution of the Brassicaceae-specific MS5-Like family and neofunctionalization of the novel MALE STERILITY 5 gene essential for male fertility in B. napus的研究論文。該研究揭示了MS5基因在十字花科植物中的進化歷史，並在前期油菜中成功克隆雄性不育基因BnMS5d的基礎上，進一步揭示了BnMS5 基因在甘藍型油菜小孢子母細胞減數分裂過程中的功能。這一研究為利用基因工程技術創建甘藍型油菜雄性不育系統提供了重要理論依據與基因資源。



該研究首先通過對83種植物（包括23種十字花科植物）的全基因組序列進行同源基因搜索，發現了727個MS5同源基因，並且這些基因僅在23種十字花科植物中存在，說明這些基因組成了十字花科植物類群特異的一個基因家族（MS5-Like family）。進一步分析表明這些基因可能通過多次串聯重複事件和轉座事件、以及基因丟失事件，在不同十字花科物種中保留了不同數目的MS5同源基因。例如，在擬南芥（Arabidopsis thaliana）中有18個，而在亞麻薺（Camelina sativa）中有多達119個基因成員。在該基因家族中，BnMS5所在的分支含有來自8個物種的14個同源基因，這些同源基因及它們的上下遊基因在不同物種中具有較好的基因共線性關係。


Classical genetic model and three-line hybrid breeding procedure of the genic male sterile system TE5ABC in B. napus


異源四倍體的甘藍型油菜是二倍體白菜（B. rapa）和二倍體甘藍（B. oleracea）的雜交後代。結合系統發育及序列分析得出：在甘藍型油菜的基因組中含有兩個MS5同源基因座位，其中一個基因（BnMS5）來自於白菜中的祖先基因，而另一個來自於（BnMS5II-1）來自於甘藍中祖先基因。BnMS5基因含有至少三個等位基因（BnMS5a、BnMS5c和BnMS5d），MS5a和MS5c產生於白菜和甘藍分化之前，在甘藍型油菜的不同個體中分別獲得了MS5a或MS5c，而BnMS5d與BnMS5a相比，僅有一個核苷酸位點的差異。



Synteny of the MS5 locus-related genomic regions in nine Brassicaceae genomes and two outgroup species


該研究對BnMS5基因的表達和功能作了詳細分析。通過檢測轉基因互補實驗獲得的T0陽性單株的外源基因拷貝數，結果表明BnMS5a基因與BnMS5d基因通過劑量效應來調控甘藍型油菜育性。免疫組化實驗結果表明，BnMS5蛋白定位在細胞核核膜上，在正常可育花粉母細胞減數分裂細線期後期和粗線期早期與染色體端粒共定位，但在不育材料中則不能與染色體端粒共定位。


Subcellular localization of BnMS5a and BnMS5d relative to telomeres during early meiosis


最後該研究還利用酵母雙雜交證明BnMs5a和BnMs5d蛋白均能與SUN蛋白互作，而BnMs5c蛋白不能與SUN蛋白互作。這表明在基因型為BnMS5aBnMS5a的甘藍型油菜花粉母細胞減數分裂過程中，BnMS5a/SUN蛋白複合體起著十分重要的作用。雖然BnMS5a基因突變成BnMS5d後會導致甘藍型油菜雄性不育，但這個單鹼基突變並未影響BnMs5d蛋白與SUN蛋白的互作。BnMs5a與BnMs5d蛋白可能是通過劑量效應或者是競爭性結合在甘藍型油菜花粉母細胞減數分裂過程中起作用。


Evolutionary history of BnMS5 and a potential model underlying the establishment of different functions by BnMS5 alleles.


總之，BnMS5基因屬於十字花科植物類群特異的基因家族，推測可能在白菜起源後發生了基因新功能化，進而在源於白菜和甘藍的甘藍型油菜雜交後代中對雄性育性具有重要作用。


中國農業科學院油料作物研究所的曾新華博士和美國賓夕法尼亞州立大學的李浩博士為該論文的共同第一作者，中國農業科學院油料作物研究所的閆曉紅博士、吳剛博士和美國賓夕法尼亞州立大學的馬紅教授為共同通訊作者。該項研究工作得到國家自然科學基金以及中國農科院科技創新工程項目資助。


參考文獻：

1. Rodelsperger et al. 2019. Trends Genet 35, 914-922.

2. Zeng et al. 2016. Front Plant Sci 7, 1966.


論文連結：

https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.17053

相關焦點

  • 甘藍型油菜表觀基因組圖譜繪
    該研究構建了目前為止最大的甘藍型油菜表觀遺傳學相關數據集，繪製了其表觀遺傳參考基因組圖譜，解釋了甘藍型油菜亞基因組間不平衡的表觀遺傳學基礎，並鑑定出植物中一種新的二價染色質狀態（H3K4me1-H3K27me3），為甘藍型油菜和其他多倍體植物的表觀遺傳學相關研究提供了重要資源。
  • 甘藍型油菜表觀基因組圖譜繪就
    該研究構建了目前為止最大的甘藍型油菜表觀遺傳學相關數據集，繪製了其表觀遺傳參考基因組圖譜，解釋了甘藍型油菜亞基因組間不平衡的表觀遺傳學基礎，並鑑定出植物中一種新的二價染色質狀態（H3K4me1-H3K27me3），為甘藍型油菜和其他多倍體植物的表觀遺傳學相關研究提供了重要資源。
  • 植物所合作揭示活化石銀杏的種群進化歷史
    儘管經歷了地質歷史時期的多次全球氣候震蕩以及人類歷史時期的人類活動幹擾，但銀杏仍然存活至今，並在全球廣泛栽培，因此，銀杏被認為是人類保護和復興瀕危物種的正面案例。但現存銀杏是否應該得到重點保護一直存在很大爭議，具體體現為兩個核心科學問題：一是銀杏是否仍存在野生種群？野生種群分布在中國哪些地方？二是銀杏是如何倖存下來？
  • 茶樹是如何進化的？我國科學家揭示茶樹基因秘密
    那麼，在過去數千年中，茶樹是如何進化的呢？近日，科學家茶樹全基因組組裝和茶樹起源演化研究上取得重要突破，組裝了「龍井43」染色體級別的基因組，並揭示了栽培茶樹的進化歷史。「中小葉種茶在長期馴化過程中，與茶葉風味相關的萜烯類代謝基因和抗病相關基因的強化選擇，表現的更為突出。也就是說，那些控制香氣合成的基因更豐富，所以中小葉種茶製作的綠茶、烏龍茶等香氣更加多樣。相應的，大葉種茶則更適合製作紅茶。」
  • 泛基因組資料庫：找到油菜的「好基因」
    而在過去的幾十年裡，為了提高油菜的產量、品質及適應性等目標性狀，國內外油菜遺傳育種科學家持續地將白菜、芥菜等種質資源中控制重要性狀（如抗性等）的遺傳位點，通過雜交或者遠緣雜交等手段導入到甘藍型油菜中，進一步豐富了其物種的遺傳多樣性。「現有的研究數據表明，甘藍型油菜基因組中7成以上基因都存在大的遺傳變異，也就是通常所說的結構變異。
  • 科學網—科學家破譯油菜多倍體基因組
    本報訊（記者黃明明 通訊員餘波）近日，由國際油菜測序聯盟牽頭，中國農業科學院油料作物研究所等國內外相關機構首次完成甘藍型油菜的基因組測序工作
  • 中美科學家合作揭示被子植物繁衍關鍵機制
    來源標題：中美科學家合作揭示被子植物繁衍關鍵機制來自山東農業大學和美國麻薩諸塞大學阿默斯特分校的科研團隊近日在知名學術期刊《自然》發表研究，揭示了被子植物繁衍的關鍵機制。團隊研究人員表示，一般情況下，為防止出現遺傳紊亂，被子植物的一個胚珠只允許一個花粉管進入。
  • 泛基因組資料庫:找到油菜的「好基因」—新聞—科學網
    而在過去的幾十年裡，為了提高油菜的產量、品質及適應性等目標性狀，國內外油菜遺傳育種科學家持續地將白菜、芥菜等種質資源中控制重要性狀（如抗性等）的遺傳位點，通過雜交或者遠緣雜交等手段導入到甘藍型油菜中，進一步豐富了其物種的遺傳多樣性。 「現有的研究數據表明，甘藍型油菜基因組中7成以上基因都存在大的遺傳變異，也就是通常所說的結構變異。
  • 動物所等揭示金絲猴植食性適應分子機制及其進化歷史
    （各30×左右），通過比較基因組學，結合功能實驗和宏基因組分析，揭示了靈長類植食性適應的分子機制，並闡明了金絲猴屬的起源和演化歷史。而在植食性適應方面，這一類群可能採取兩種策略，即一方面通過基因複製和擴張來消除植物次生代謝產物的毒性，而另一方面與脂肪酸和能量代謝相關的基因則受到正選擇作用，有利於其發酵代謝以及高海拔適應。
  • 【科學普及】「孤獨喬治」的DNA,揭示了抗癌和長壽相關基因
    因此，科學家將比較基因組分析（即利用自然選擇的機制來尋找與複雜性狀和過程相關的基因和生化途徑）技術應用於長壽哺乳動物的基因組中，以此揭示在調節與年齡相關的疾病中發揮重要作用的信號和代謝網絡。
  • 科學家揭示蝙蝠飛行及免疫適應性相關機制
    中外科學家完成的蝙蝠基因組學研究近日在《科學》上在線發表。科學家對兩種不同類群的蝙蝠基因組比較分析，揭示了蝙蝠飛行及免疫系統的適應性相關機制，闡明不同蝙蝠類群的分子多樣性機制，為蝙蝠及其它哺乳動物在生物學及進化等方面的研究提供了新思路。
  • 運用定量蛋白組學對種群特異進化的基因新型互作網絡研究
    新基因在生物體內創造了新的遺傳和表型多樣性，為了獲得新的分子和細胞功能，新基因必須整合到祖先的基因相互作用網絡中，或者重塑新的基因相互作用網絡。本文由鹿明生物合作客戶華中農業大學塗金星博士研究團隊在NEW PHYTOLOGIST發表的題為：「Two Young Genes Reshape a Novel Interaction Network in Brassica napus「的研究，本文作者運用iTRAQ定量蛋白質組學、轉錄組學研究篩選到甘藍型油菜中Bnams4b和BnaMs3的相互作用蛋白，對兩個種群特異性共同進化的年輕基因在植物中重塑了一個新型互作網絡
  • 我國科學家構建油菜功能基因資料庫
    記者從中國農科院油料所獲悉，該所油料作物基因組學與抗病性改良創新團隊成功破譯了油菜基因組的全轉錄信息密碼，構建了油菜10萬餘個基因的轉錄全景圖，使得油菜基因功能研究第一次有了標準的可參考的基因轉錄資料庫，將有力支撐油菜功能基因的相關研究。該成果最近發表在國際知名期刊《植物》上。
  • 我科學家構建油菜功能基因資料庫
    記者30日從中國農科院油料所獲悉，該所油料作物基因組學與抗病性改良創新團隊成功破譯了油菜基因組的全轉錄信息密碼，構建了油菜10萬餘個基因的轉錄全景圖，使得油菜基因功能研究第一次有了標準的可參考的基因轉錄資料庫，將有力支撐油菜功能基因的相關研究。該成果最近發表在國際知名期刊《植物》上。
  • 【中國科學報】揭示智障相關基因在軸突發育中功能
    中科院上海生科院神經科學研究所熊志奇課題組在最新研究中，揭示了位於X染色體上的Opitz症候群相關蛋白Mid1在神經元軸突發育中的功能，為了解Opitz症候群的發病機理提供了線索。相關成果日前在線發表於美國《國家科學院院刊》。    在遺傳因素引起的智力障礙中，相當一部分是由X染色體上的基因突變或缺失引起的。
  • 項目文章|華中農業大學運用定量蛋白組學對種群特異進化的基因新型...
    ，為了獲得新的分子和細胞功能，新基因必須整合到祖先的基因相互作用網絡中，或者重塑新的基因相互作用網絡。Bnams4b和BnaMs3的相互作用蛋白，對兩個種群特異性共同進化的年輕基因在植物中重塑了一個新型互作網絡。
  • Science|識別基因功能的新技術Perturb-Seq並揭示自閉症風險基因
    導讀頂級期刊《Science》發布張峰等團隊的最新研究進展，他們開發一種新的體內大規模遺傳功能研究技術Perturb-Seq，可同時研究生物體內不同細胞類型中不同基因的功能，並篩選了幾十個與自閉症相關的基因，揭示了相關的神經元和膠質細胞異常。
  • HR：浙江大學徐建紅課題組在甘藍轉座子研究方面取得重要進展
    作為蕓薹屬「U型三角」中三個重要的二倍體基本種之一，甘藍通過與白菜、黑芥的雜交，分別形成了甘藍型油菜和衣索比亞芥菜。轉座子約佔甘藍基因組的40%，是基因組進化的一個的強大驅動力。它們不僅使蕓薹屬中不同物種之間發生了不對稱進化，而且很大程度上還促使了亞基因組優勢現象的形成和維持。
  • 植物抗病基因RP1進化研究獲進展
    植物抗病基因 (Plant disease resistance gene，簡稱R基因)在長期的進化過程中表現出複雜的進化模式。很多研究表明，植物R基因是以基因家族的形式存在，通常成簇排列從而形成複雜結構。經由旁系同源抗病基因間頻繁的序列重組和交換的一類抗性基因叫I型R基因，而較少或沒有經過旁系同源基因序列重組和交換的基因為II型R基因。
  • 蕓薹屬植物基因組三維結構與進化機制有關—新聞—科學網
    白菜和甘藍全基因組染色質交互熱圖   近日，中國農業科學院油料作物研究所（以下簡稱油料所）種質資源團隊在蕓薹屬基因組進化方向取得重要研究進展，成功繪製白菜與甘藍的三維基因組圖譜，發現基因組三維結構與其同源基因保留機制存在密切聯繫，為蕓薹屬物種的功能基因組研究與分子育種提供了重要理論指導。