作者:李晨 王一凡 来源:中国科学报 发布时间:2021/5/30 15:49:20
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科学家首次揭示长期高温影响植物突变遗传机制

 

 科研人员对实验材料进行高温处理     扬大农学院供图

突变是生物体遗传和变异的基础,是生物进化的根本驱动力。在长期高温逆境下,植物对高温的响应和适应的变异基础和变异规律是什么?

扬州大学教授金飚团队和徐辰武团队花费近10年时间,首次从种群遗传谱系和单粒种子株系遗传谱系两个层面,揭示长期多代高温下植物的DNA突变速率和突变谱规律,为阐明长期环境胁迫下植物分子进化机制提供了重要的理论依据,同时为探索植物对未来气候变暖的长期响应和适应趋势提供了前瞻性的预测。相关研究近日在线发表于《基因组生物学》。

近年来,由于全球气候变暖,高温已经成为全球关注的热点问题之一。高温热害已经成为世界范围内主要灾害之一,在多国家多地区频繁发生。高温胁迫严重影响经济作物的正常生长发育、产量和品质,例如光合效率下降,生命周期缩短,生产力下降等,导致农作物大面积减产。

迄今为止,有关植物高温胁迫响应和适应机制的研究主要集中在短期高温下植物形态生理、转录调控以及胁迫记忆等方面,而长期多代高温胁迫下植物遗传变异研究却极少报道。该研究方向也被列入Science创刊125周年之际公布的125个最具挑战性的科学问题——“植物抗逆变异基础是什么?”

论文共同通讯作者金飚介绍,尽管已知高温显著影响植物的生长和发育,但高温如何诱导植物突变积累仍不清楚。为此,该团队以模式植物拟南芥为研究材料,不同高温多代的种群谱系和单粒种子谱系,连续培养繁殖10-22代,并对其进行了全基因组测序分析和多重验证,结果证实了多代高温确实能显著加速DNA突变积累、改变分子突变谱。

为何选择同时针对种群谱系和单粒种子谱系开展高温胁迫研究?

论文第一作者、扬州大学农学院路兆庚解释,前人对植物突变研究主要建立在单粒种子遗传突变积累的基础上,然而自然界植物通常以种群的方式繁殖多代,而不是以单粒种子的方式繁殖多代。因此,比较多代高温种群谱系和单粒种子遗传谱系这两种情况下的突变速率、突变属性及选择压力,更具有参考性。

该团队研究发现,高温会引起植物转座元件激活,不仅影响邻近基因的表达,还加速基因突变,从而维持基因组稳定性。因此,他们提出了一个猜想,即长期高温多代影响下,植物基因组水平上转座子突变频率及其它区域可能会随之发生变化。

随后,该团队对猜想进行了实验验证,通过对高温多代下拟南芥的突变位点和各区域频率进行检测与计算,发现突变位点呈现非随机性分布,基因间区、编码区及转座元件突变频率明显增加;更多突变发生在防御响应、DNA修复及信号等方面。这一结果再次从分子角度明确了多代高温下植物的突变规律。

进一步分析发现,多代高温促使更多的突变积累在防御响应、DNA修复、信号转导,以及高温转录响应等基因上;DNA甲基化、TE及突变位点显著相关,位点甲基化促进了高温下突变积累;且多代高温积聚的突变明显偏向于低基因密度区域、特定的三核苷酸及重复序列。

论文共同通讯作者徐辰武表示,全球气候变暖背景下,高温已成为影响植物生长发育的主要环境问题之一,因此探明植物高温多代逆境下的变异基础有助于进一步揭示环境变暖趋势下植物的突变规律。“我们的研究有助于解释植物纬度生物多样性梯度以及冰期—暖期植物分子进化和物种形成机制。”

相关论文信息:https://doi.org/10.1186/s13059-021-02381-4

 
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