舶来赏析|New Phytologist：小麦-山羊草物种的染色体重建

近期，俄罗斯科学院瓦维洛夫遗传研究所Dr. Ekaterina D. Badaeva和瑞士波恩大学的Dr. Christian Parisod在New Phytologist发表了综述论文：Chromosome restructuring among hybridizing wild wheats.

    小麦-山羊草复合群(Aegilops L. and Triticum L.)包含一大批自然分布于地中海和中亚地区的一年生二倍体和多倍体物种。比较分析发现，圆锥小麦(Triticum turgidum,  BBAA)和普通小麦 (Triticum aestivum,  BBAADD)也是在这些地区，从其祖先物种Ae. speltoides (genome SS=BB)、T.urartu (AA)和Ae. tauschii (DD)天然杂交和多倍体化演化而来。由于这些野生物种的染色体基数为x=7，所以，在分子细胞遗传学上，将其称为小麦-山羊草复合群。该复合群中物种中，其基因组超过80%由转座子序列组成(图1)。这些物种的染色体是如何从其野生二倍体物种杂交、演化、基因组重建而来，其遗传机制值得深入探讨。

图1. 小麦-山羊草复合群染色体的序列组成

A不同转座子序列的分布， B染色体臂的典型序列组成

1、二倍体物种的网状进化

小麦A, B, D基因组的祖先大约在4-5百万年前开始发生分化(图2)。最近研究认为，Ae. mutica可能比Ae. speltoides更接近小麦B染色体组的原始供体。D染色体组的供体约在3百万年前加入了现代山羊草属多倍体物种的形成。目前D组二倍体代表物种为Ae. tauschii，S基因组代表性物种为Ae. bicornis、Ae. longissima、Ae. searsii、Ae. sharonensis。山羊草CUMN基因组的二倍体物种包括Ae. caudata (CC), Ae. umbellulata (UU), Ae. comosa (MM) 和 Ae. uniaristata (NN)。分子细胞遗传学研究发现，S类群物种，主要发生了中部着丝点染色体的“核型肥胖”现象。而CUMN类群中，其核型出现端部着丝粒染色体，导致严重的“核型不对称”现象。

图2. 小麦-山羊草复合群二倍体野生种的染色体核型分化（绿色为pAs1/pTa535探针，红色为pSc119.2探针）

2、D类群物种分化与染色体重建

综合目前的小麦基因组A、D基因组序列结果和细胞学分析发现，1D染色体的5Sr DNA位点存在大规模缺失，D亚群上仅在第5同源群上存在5S rDNA位点。而在A、B染色体组中1，5同源群同时存在5Sr DNA位点。山羊草CUMN类群基因组中，在第1、5、6同源群都具有5Sr DNA位点(图3)。这种NOR位点在基因组中的分布变异，是如何发生的，目前尚不清楚。同时类似pSc119.2重复序列在S-祖先物种的染色体端部富集，之后由于Spelt-52重复序列，以及En/Spm、5SrDNA与45SrDNA、GAA重复序列分化等原因，导致了染色体的核型分化(图4)。Ae.mutica与Ae. speltoides的基因组变异仍需要深入研究。构建高精度染色体水平上的基因组序列，可以增进人们对基因组进化与染色体易位的理解。传统认为，在多样性祖先杂交后代，高表达基因的稳定选择和杂交后代基因的非平衡表达驱动了杂种基因组的进化。从祖先基因组到杂种后代，核型变异的驱动力有待进一步阐明。因此，二倍体小麦-山羊草物种将成为，研究全基因组水平上重复序列变异以及基因调控对物种分化影响机制的绝佳模型。

图3. 对潜在供体物种A-基因组 (T. urartu 和T.monococcum)，B基因组 (Ae. speltoides 和Ae.mutica) 与D基因组(Ae.tauschii)核型比较。

3、S染色体组物种的“基因组肥胖”现象

据测定，S-基因组物种在pSc119.2序列的分布、异染色质C带、GAA等重复位点上发生了较大分化(图4)。在基因组大小上，S-基因组物种比其他D-系物种的基因组大20%左右，即增加约1Gb，这种“基因组肥胖”至少发生在3百万年前。因为特定的转座子扩增而导致基因组增大，类似的现象在澳洲野生稻(Oryza australiensis)中也有发现。在整个基因组上重复序列的增加、小规模的染色体重排，可能是导致基因组动态变化的原因。重复序列在基因组中的插入缺失发生机制，以及特定序列的扩增增加基因组大小同时，其着丝粒的位置得以稳定保持的机理等科学问题，有待通过比较基因组学进行进一步的研究。

图4. 在S基因组的核型进化向“核型肥胖”方向发展

由于大量的异染色质C-带， GAA重复序列，以及Spelt52等重复序列的扩增导致的

4、山羊草的CMU基因组增加“核型不对称性”

分子细胞遗传学核型分析表明，Ae. comosa  和Ae.uniaristata 都发生了pAs1的富集(图5)。山羊草属物种CUMN的着丝粒端部在进化过程中产生了非常大的重排。最近也发现一批新的活跃转录的转座子，和一大批转座子序列的扩增参与了染色体的重排，这些物种的基因组没有显著变化。说明基因的扩增与收缩，在CUMN物种染色体重建过程中同时发生。这些物种着丝粒位置的改变，源自染色体倒位、非同源染色体的不均等易位等。但是，仍然不清楚那种变异产生的端部着丝粒具有传递优势。目前尚未有充足的证据表明，CUMN物种的核型不对称现象，是否受环境的适应性或生态特化的影响。因为大规模的染色体区段重排会导致远距离基因位点的聚集。因此，深入开展各类系统基因组学的集成研究，可以揭示驱动共适应性位点等位基因的连锁不平衡、核型不对称性与生态分化的关系，进而深入理解染色体结构变异与物种的适应性进化的遗传与分子机制。

图5. 在山羊草的CMU基因组呈现“核型不对称性”，产生大量端部着丝点染色体

其中Ae. scomosa和Ae. uniaristata富集pAs1序列。

5、基因组重构是小麦-山羊草复合群物种多样性的动力还是产物

虽然大规模的基因组重建在简单基因组（水稻）和复杂基因组（向日葵）等物种已得到研究，但是仍然不清楚大范围的基因组重建是物种分化的驱动力还是物质分化的副产品。这一问题，需要更多的整合组学和分子细胞遗传学的研究，明确在那种程度的杂交才能推动物种的多样性分化。由于山羊草物种CUMN在进一步通过杂交产生多倍体化，因此可以分析在时间尺度上的基因组进化与变异规律。同时，山羊草和小麦物种的基因交流导致的亚基因组分化，也可以在异源多倍体的遗传变异中进行研究。