Biol 等国际著名期刊发表多篇高质量研究论文,染色体差异促进突变的现象

南京大学生科院田大成、杨四海课题组继2015年在遗传突变与重组的机制研究中取得重要突破后,该课题组近日又在这一研究方向上取得多项重要研究进展,在国际著名期刊《Molecular
Biology and Evolution》和《Proceedings of the Royal Society B-Biological
Sciences》上连续发表三篇研究论文。

突变是重要的生物现象,它提供了物种变异和演化的最原始材料。对于突变的研究一直是探寻生命基本规律的前沿领域。我校生命科学学院田大成课题组与巴斯大学Laurence
D.
Hurst教授合作在突变与杂合度的相关性研究中取得重要进展,其研究成果《Parent-progeny
sequencing indicates higher mutation rates in
heterozygotes》(亲子测序显示杂合体有较高突变率)于7月16日在《Nature》在线发表。我校田大成教授是该论文的第一通讯作者,杨四海教授、博士研究生王龙和黄驹是该论文的共同第一作者。

在这三篇文章中,该课题组围绕着遗传学的最根本的问题,减数分裂突变与重组,以熊蜂和桃树为材料,利用二代测序技术,准确直接的检测了熊蜂、野生桃树和栽培桃树的减数分裂突变率及重组率,并得出了以下重要结论:减数分裂重组率与突变率并不存在共进化关系;染色体重组有很微弱的诱导突变的效应;不同昆虫物种的减数分裂突变率都处于同一水平;多年生植物与一年生植物平均每代的突变率基本相同,但是按每代经历的时间来算,多年生植物平均每年的突变率远低于一年生植物;在桃树中,高差异度的杂交会引起突变率的上升;栽培桃树与野生桃树在重组率上并没有差异,这与人们的普遍认知,栽培品种的可能会具有更高重组率的预测不符。南京大学均为这三篇文章的第一作者单位及通讯作者单位,合作者为英国巴斯大学的英国皇家学会会员Laruence
Hurst教授。

杂合现象是指生物体内来自双亲的两套同源染色体存在一定差异的现象,这一现象广泛存在于各种生物,也是杂种优势形成的主要原因。在减数分裂过程中,双亲染色体间会密切的相互作用,这一时期同时也是可遗传突变发生的关键时期,而在此过程中双亲染色体的差异对突变率究竟有何影响一直是一个未解之谜。

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田大成课题组借助二代测序技术,以拟南芥和水稻为主要实验材料,直接对亲本和子代进行全基因组测序,筛选出了可信度极高的突变数据。通过比较杂交个体和纯合个体产生后代的突变率,发现了杂交个体的后代突变率可以达到纯合体的3倍以上。不仅如此,杂交后代中杂合区域的突变率也高于纯和区域,杂合度越高的区域发生突变的可能性也越高。研究还发现减数分裂中发生重组的断点和杂合度与突变率之间也存在着正相关的关系,暗示了重组可能也参与了这一过程。这些证据都说明了双亲染色体之间的差异可能有着潜在的促进突变作用。

图一、熊蜂的蜂群及重组图谱。

染色体差异促进突变的现象,表明了生物体的突变速率,与物种的交配方式、个体的染色体差异等有着密切的关系。对这一现象的深入研究,可能会加深对突变的分子基础,突变引发癌症等恶性疾病的分子机制,乃至于物种形成和演化过程的理解。

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另外,该团队在减数分裂过程中的重组研究也取得重要进展(Genome Biology
2015 16:15: New Phytolosist 2015 206:
1491–1502),发现了重组热点普遍存在于各个物种,但重组冷点只在个别物种;在某些环境胁迫条件下,重组率较正常材料有显著的提高;与其他动植物相比,蜜蜂具有非常高的重组率;高重组率区域与工蜂社会性行为相关基因具有高度的相关等。

图二、桃树的减数分裂重组与突变的分布。

该研究得到国家自然科学基金委“微进化过程的多基因作用机制”重大研究计划重点项目、南京大学“985工程”高水平成果培育计划及原创研究培育基金的资助;该项目遗传材料的准备与项目的顺利实施,都得益于学校建设于仙林校区的作物分子遗传实验站。(生命科学学院
王龙)

围绕这一研究主题,课题组之前已先后在Nature (2015,
2008)、PNAS(2012,2013)、Mol Biol Evol (2008,2009a, 2009b)、Genome
Biol 等国际著名期刊发表多篇高质量研究论文,得到国内外同行的广泛关注。

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该研究得到国家自然科学基金、国家转基因生物新品种培育重大专项、中央高校基础科研经费的支持。同时也特别感谢学校、医药生物国家重点实验室及生科院对课题组的一贯支持。

a.突变率与重组率呈正相关;b.基因组杂合率越大,突变率越大;c.直接观测杂合率大的区域产生更多突变;d.基因组差异越大的区域突变越多

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(生命科学学院 科学技术处)

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