低拷贝核基因在异源多倍体植物中的进化与表达_cropped

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1、HEREDITAS (Beijing) 2007 年 2 月, 29(2): 163171综 述ISSN 0253-9772 chinagene DOI: 10.1360/yc-007-0163低拷贝核基因在异源多倍体植物中的进化与表达刘志鹏 1, 王能飞 2, 赵爱云 3, 沈继红 2, 刘小丽 1, 刘公社 11. 中国科学院植物研究所光合作用与环境分子生理学重点实验室, 北京 100093;2. 国家海洋局第一海洋研究所, 青岛 266061;3. 青岛大学天然色素研究所, 青岛 266071摘要: 异源多倍体植物在自然界中广泛分布。在这类植物谱系中, 低拷贝核基因具有特殊的进化特点和丰

2、富的植物系统发生信息, 在转录水平存在基因沉默、基因激活和不均等表达等特点。以低拷贝核基因为主线, 概述 了其在多倍体植物系统发生中的应用和相关注意事项, 并对其在多倍体植物中的表达变化及其分子机制进行 了探讨, 系统地介绍了国际上相关领域的研究成果和最新动向。关键词: 低拷贝核基因; 异源多倍体; 植物系统重建; 基因表达The evolution and expression of low-copy nuclear genes in allopoly-ploid plantsLIU Zhi-Peng1, WANG Neng-Fei2, ZHAO Ai-Yun3, SHENG Ji-Hong

3、2, LIU Xiao-Li1, LIU Gong-She11. Key Laboratory of Photosynthesis and Environmental Molecular Physiology, Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences, Beijng100093, China;2. The First Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Qingdao 266061, China;3. The Institute of Natural Pigm

4、ent, Qingdao University, Qingdao 266071, ChinaAbstract: Allopolyploid plants have a wide distribution in the nature. The low-copy nuclear genes with special evolutioncharacteristics and abundant phylogenetic information in polyploidy plant lineage show gene silencing, gene activation, and unequal ex

5、pression in transcript level. In present review, focusing on the low-copy nuclear genes, we summarize the appli- cation of these genes in the phylogenetic reconstruction of allopolyploid plants and bring forward some critical issues in this field. In addition, we discuss the preliminary mechanisms o

6、f expression changes of these genes in polyploid plants, andintroduce the progress and latest development in this field.Keywords: low-copy nuclear genes; allopolyploid; phylogenetic reconstruction; gene expression自然界中 ,生新的 物种 1,尽管通过 同倍体之间的 杂交 可以 产但是 在 分 布 区域 重叠 的情 况下 , 通植物谱系。在 20 世纪 70 年代, 人们估计被子植物中

7、多倍体物种约占 30%35%3, 20 世纪 80 年代时 约占 52%4, 90 年代时为 70%5。还有人发现即便是基因组很小的拟南芥(Arabidopsis thaliana)也存在广过多倍体化形成新物种具有更加重要的意义2 。随 着研究资料 的 不断 积累 , 更多 的物种被纳入多倍 体收稿日期: 2006-06-30; 修回日期: 2006-09-12基金项目: 青岛市自然科学基金项目(编号: 05-2-JC-56)、国家海洋局青年基金项目(编号: 2006103)和国家自然科学基金项目(编号: 40606001)资助Supported by the Natural Science

8、Foundation of Qingdao City (No. 05-2-JC-56), Young Foundation of State Oceanic Administration(No. 2006103) and National Natural Science Foundation of China (No. 40606001)作者简介: 刘志鹏(1979), 男, 陕西咸阳人, 博士研究生, 专业方向: 分子生物学。E-mail: lzpibcas.ac 通讯作者: 王能飞(1978), 男, 山东青岛人, 硕士, 助理研究员, 研究方向: 分子生物学。Tel: 0532-8294

9、7725; E-mail: wangnengfeifio.org 泛的基因组片段复制6 。与农业生产紧密联系的 多倍体物种有普通小麦(Triticum aestivum)、燕麦(Avena nuda)、棉花(Gossypium hirsutum)、咖啡(Coffea ara-bica)、紫花苜蓿(Medicago sativa)、马铃薯(Solanum tuberosum)、大豆(Glycine max)和烟草(Nicotiana ta-bacum)等。一 般认为 , 基 因组染色体 数目的阈 值是 n=12, 超过这个值的植物被认为是多倍体79。假如 某 些多 倍 体植 物可以通过染色体 重

10、组 , 如染 色体 分 裂、融合和非整倍体等形式来减小染色体数目7,1012,那 么多 倍体 则 会更 加普 遍。 因而 , 只有 极少数的被 子植物在它们的进化历程中没有受到多倍体化事件 的影响。植物中多 倍体的大量存 在, 表明相 对于二倍 体 多倍体具有更强的选择优势。近十几年来, 在异源多 倍 体植 物 谱系 的分子进化方面 , 科学家们进 行了大 量的研究, 属水平上的研究系统主要包括芸苔属13, 小麦属1420, 拟南芥属2123, 稻属2427和棉属2832。 在这些属中, 人 们 指 出了低拷 贝核 基 因 在 系 统 发 生 重建中 的一 些优 势和 相关 的限 制性因 素

11、, 同时 , 研 究表明这类基因在多倍体化过程中存在失活、激活 和 不均 等表 达 等现 象。 这暗 示着 , 低拷 贝核基因在 异源多倍体植物的系统发生和对环境的适应性上都 具有重要的 作 用。 本文 以低 拷贝核基因为主线 , 对 其在异源多倍体系统发生中的应用及其在转录水平 表达特性做 以 综述 , 并结合我们的 理解对其研究趋 势作出展望。编码 的蛋白质可能有相 同的功能 , 也可 能没有相同 的功能; 平行同源基因是进化史上种内/种间平行传 递的 两个 重复基 因 , 编码 具 有 “ 类似功能 ”, 但不 是 完全相同的蛋白质。NCBI 的术语表中对平行同源基因 的定义是祖先基因经

12、过复 制 后 分 离 产生 的 基 因 ,例如 鼠的珠蛋白和珠蛋 白基 因, 并且鼠的珠蛋 白和鸡的珠蛋白基因的关系也是平行同源基因。因此不能笼统地说来自不同物种的就不是平行同源基 因 ( 这 两个词 的 示 意 图 见 :/ ncbi.nlm.nih.gov/Education/BLASTinfo/Orthology.html)。此外, 根 据复 制事件与物种分化 事件发生的先后关系 , 又产 生 了 内 平行同 源基 因 (inparalog)和外平行 同源 基因 (outparalog) 的概 念 ; 对于一个 给定的世 系 , 在物种 分化后发生复制事件产生的基因称为内平行同源基因 ,

13、 而复 制事 件在 分化之 前 , 则称 为外 平行 同源 基因36。对于低拷贝核基因而言, 除了平行同源基因和 垂直同源基因两种进化命运以外, 多倍体化后植物还可以将这些遗传冗余从遗传限制中释放, 使它们 以假基因的方式进行退化并保持高速地分化。所以在使用低拷贝核基因重建植物系统发生时, 必须精 确地区分平行同源基因、垂直同源基因和假基因。1.2 低拷贝核基因的特点在 被子植物物种 和 物 种 以 上水 平 , ITS(核糖 体 转录 间隔 区 )和 cp DN A( 叶绿 体 DNA)非 编 码区 得到 了最为广泛的应用37, 38。ITS在进化中存在明显的趋 同进 化 , 这 在 很多

14、实 验 中 都已经得到证 明 , 包括自 然和人工异源多倍体杂种。在ITS不同串连重复中趋 同进化能快速的消除一个亲本类型而保存另外一个1低拷贝核基因的进化基因组水平上的插入/缺失, 为低拷贝核基因在植物系统发生中的应用奠定了基础。在拟南芥中已鉴定出了许 多 与不 同性 状自 然变异有关的基因 , 而 且大多数基因的变异是由插入/缺失引起的33。据估 计 , 植物 核 基因每个位点的年平均 同义替换速率是 53010934。1.1 两个概念由于在选择性的基因沉默/丢失后有可能存在基亲本 类型 39, 4 0 ,同时 由 ITS演化 而来 的 ETS(外部转 录间隔序列)也存在着与ITS紧密连锁

15、的缺陷; 另外,cpDNA非编 码区的进化速度也比较慢。所以, 在许 多被 子植 物谱 系中 , 这些基因表现出了低水平的序 列变 异, 从 而使得一些物种关系得不到解决或存在 支持率低的现象41,42。在以后大量的研究中, 人们发现与 ITS和 cpDNA相比 , 低 拷贝核基因含 有 更 多 的系统发生信息43。例如, Sang等44在芍药属(Paeonia L.)的5个推测杂种中(P. sinjiangensis、P. arietina、P. humilis、P. officinalis和 P. parnassica )没有发现核 nrDNA ITS区域的遗传多样性。相反, 这些杂种的基

16、 因组中却维持了来自于不同亲本的Adh等位基因45。 类似的对 比现 象也 出现 在Wendel等 31 和Small等4 6的研 究结 果中 。事 实上 , 植物 核基 因组 可看 作是 低因复制35,所以将低拷贝基因用于植物系统发生时,最关键的问题是分清垂直同源基因(orthologs, 也称 直系同源和直向同源)和平行同源基因(paralogs, 也 称旁系同源、并系同源和横向同源)之间的关系。垂直同源基因和平行同源基因两者可通称为同源基因(homology)。垂直同源基因是存在于不同种间的同源 性基 因 , 该 基 因 的 进 化史反 映的 是物种 的进 化史 ,第 2 期刘志鹏等:

17、低拷贝核基因在异源多倍体植物中的进化与表达165拷 贝核 基因 取 之不 尽的 资源 , 这些 基因 能对植物系 统发生能做出大量的独立的估计。1.3 低拷贝核基因与异源多倍体系统发生类, 每个类型都可以追溯到一个相应的亲本。Cronn等 50 使用 了16 个核 基因 重建 异 源 四 倍 体 植 物 G.Hirsutum 的系统发生, 发现每一对同源位点与它相应的亲本形成了姊妹群。而且这些同源位点间彼此 相互 独立 , 其进 化速度与它们亲本 中该基因的进化 速度一致, 这表明在多倍体化后经历了遗传停滞。 过去 的数 十 年 中 , 在植物系统学方 面人 们积 累了大 量的分子数据 , 并

18、依此提出了 许多植物系统发 生假说。常用的低拷贝核基因有 Adh(Adh2 和 Adh2,编码乙醇脱氢酶)、GPA1(编码 G 蛋白亚基)核 H3内含子、rpb2(编码 RNA 聚合酶的第二大亚基)、LEAFY(调控花分生组织和花期等功能)、GBSSI(编码 小粒 结合 淀粉 合成 酶 )、 Gpat(甘油 -3-磷酸酰基转移 酶)、MADS-盒、Adc(编码精氨酸脱氢酶)、PhyA(编码光敏色素)、4CL(编码 4-香豆酸:辅酶 A 连接酶)、ncpGS(编码谷氨酸盐合成酶)和 MITEs(小型反转座子)等, 以及被广泛应用的大量功能未知的基因内含子。这里简要介绍一下 rpb2 的应用, 其

19、余基因不逐 一赘述。rpb2 已经被用于多种植物的系统发生研究,1.3.1核基因种类的选择一个理 想的核基 因必须具备 两个方面的 要素 ,即将系统发生信息最大化和将同源基因的数目最小 化47。如果在科或是科 以上水平重建系统发生 , 使 用 核基 因内 含 子是 不可 行的 , 选取 进化 保守且缺乏 内含 子的 基因较好 ; 在属间水 平上 , 基 因的选择 取决于该基因的具体特性和内含子的长度。大的内含 子经常伴随 有 更多 的突 变, 在这个 水平上应该避免 使用。在属间水平上, Adc(不含内含子)和Waxy两个 基因 使用 较多 ; 在种 内或种间 水平 上 , 应选择含有 大量内

20、 含子 的基 因 , 特别 是一 些大 的 内 含 子 , 它们 可以提供较高的分辨率。除了考虑序列的分化程度外 , 选择 一 个具有较少平行同源基 因的低拷贝基因 也 同样 重要 。 这取 决于 所研 究群 体 中 , 这个基因的 复制和删除 动 态。 在这 里, 不宜选 用那些具有很多 成员的大基 因 家族 , 因为很难将垂 直同源基因从平 行同源基因中分离出来48。因此应选用那些拷贝数少, 最好是单拷贝的基因。另外, 由于那些被认为是 单拷贝 的基 因 , 经常 属于 一个 大的 基因 家 族 , 即便 是 在 二 倍体中 也是 这样 49, 所以在选择 时 必 须 慎 重。总之, 无论

21、在什么水平, 只有当cpDNA和nrDNA51Denton 等 在所研究的 11 个物种中没有发现 rpb2多个拷贝的存在。但是, Oxelman 和 Bremer52在假龙 胆属(Gentianella)中发现了 rpb2 的两个拷贝, 其中一个缺少一段内含子序列。另外, 在他们未发表的数据中 , 番茄 属 (Lycopersicon) 和 杜鹃花属 (Rhododendron)rpb2 也存在两个拷贝。Popp 和 Oxelman53使用 rpb2的部分片段, 在新近发生的多倍体中没有发现重组序 列。Pfeil 等54在木槿属(Hibiscus)和相关的植物中也发现了 rpb2 的两个拷贝

22、, 这两个拷贝之间的重组水 平很低(包括位点间诱导和 PCR 诱导)。此外, 依据两个拷贝 可以建 立一致 的系 统 发 生 模 式 , 这与 cpDNA 发生树的拓扑结构一样。这表明在这些植物 谱系中 rpb2 的复制拷贝被长期维持着, 从而得出这 个基因的内含子和外显子都适合于对相对古老的多倍体化事件的诊断。1.3.4 注意的问题对核基因进行扩增时, PCR 引物应当位于外显 子的 保守 区 , 但是 引物的 保守 性太 强 , 则有 可能 扩 增 出这个 基因 所在家 族的 其他成 员以 及一些 假 基 因。因此, 扩增之后应该筛选大量的克隆, 也可选用 Southern 杂交对该基因家

23、族进行检测。但是在植物 基 因 组 的进化 过程 中 , 复制 /删除 是一个 动 态 过程 , 即使 一个基因被认为是 单拷贝, 这 个基因在过去经 历了复制/删除的可能性仍然不能被排除。因此, 一的系统 发生 分辨率不足, 且/或互 相矛 盾时 ,使用低拷贝核基因。才建议1.3.2核基因数目的选择如果是仅仅为了提高 cpDNA 和/或 nrDNA 发生树的分 辨率时 ( 即 核基因发生树 与 cpDNA 和 / 或 nrDNA 发生树的拓扑结构一致), 一个核基因足已。 当核基因发生树与 cpDNA 和/或 nrDNA 发生树的拓扑结构不一 致 时, 则需要补充另外 的核基因。由于 非 连

24、锁 位点 之 间的 进化 相互 独立 , 因此 多个结构一 致的核基因树可能会更好的代表物种树; 当进化枝 足够长 (进化时 间长 )或较窄 (有效 的群体数 目小 )时 ,多个结构一致的核基因树成功代表物种树的几率就很高 ; 反之 , 进化 枝短 且 宽 时 , 成功 代表 的几 率 则 较小47。总之, 这一问题 的解决需要确立相应的 理论模型和统计学方法。1.3.3在植物系统发生中的应用从多倍体的 角度 出发 , 一个异源四 倍体 基因 组得到的起源于双亲的同源基因基本上可以划分为两结合蛋白、1 个受谷胱甘肽调控的 K 外流蛋白和 2个功能未知的蛋白。据此, Lee 和 Chen22认为

25、来自 于双亲基因组的单拷贝基因在多倍体杂交后代中发生沉默的几率是相等的。与此不同的是, 来自于 A. thaliana 的具有高拷 贝数的 rRNA 在 A. suecica 中完全沉默, 并且在人工 合成的 A. suecica 的后裔中也逐渐完全沉默, 这种现象被称之为核显性57。Skalich 等58使用 14 个中度或高 度重复序列, 在烟草中也发现 了类似的现象。 其内在机制可能是非显性基因组的核糖体基因在多 倍体后代中发生了超甲基化和染色质重排59。于是 , 研究 人 员 又 面 临 这 样的问题 , 来自 于同 一基因组的与已经完全沉默 rRNA 连锁的其他单拷贝基因在 A. s

26、uecica 中是如何表达的, 是同 rRNA 一 样发生沉默, 还是受到其他方式独立的调控。Lee 和Chen22检测了紧密相邻在 A. thaliana1 号染色体上的 5 个基因, TCP3(Teosinte branched 1, Cycloidea 1 and proliferating cell nuclear antigen 3)、RFP(Ringfinger protein)、HYP1(Hypothetical protein1)、HYP2和 Mdh(Malate dehydrogenase)(图 1)。研究发现, RFP属于单亲表达并来源于 A. thaliana, TCP3

27、 也属于单 亲表达但并非来源于 A. thaliana, HYP1、HYP2 和MDH 三者属于共表达。多 倍体中 的表 观遗传 沉默可 以导 致表型 的变 异。Schranz 和 Osborn60发现在理论上基因型一致 的新生多倍体 Brassica napus(B. rapa B. oleracea) 的同 胞系 中 , 它们 的开花 时间 存在 明显 的差 异 , 并且这种差异在株系内部是可以遗传的。Tadege 等61 认为这是由于 FLC(Flowering locus c)基因受到不同 的 表 观 遗 传 沉 默作用 引起 的。 Gastony62 发现 在 Pellaea ruf

28、a 不同单 株中的 PGI(Phosphoglucoseisomerase)基因也存在同样的现象。此外 , 多倍 体 中单拷贝 基 因 的 沉 默 在 特 殊 的 环境下是可以恢复的, 如 Brassica 杂种中的 rRNA 基因59。总之, 异源多倍体中的表观遗传沉默可以个最可靠的方法是尽量发掘出基因组中的所有平行同源基 因 , 并检 测不 同基 因树 之间 的一 致 性 , 或是 检测分子数据和形态数据之间的一致性。其余的一Sang47做了较为详些 PCR 和克隆等技术上的细节,细的探讨。2 低拷贝核基因的表达2.1 基因沉默异源多倍体中低拷贝基因的沉默已经被科学家 们广泛证明。Gast

29、ony55率先通过同功酶电泳证明古 多倍体蕨类植物 Pelleae rufa 具有基因沉默的现象。 Mittelsten 等56以转基因 A. thaliana 为材料第一次将 单拷贝基因的表观遗传沉默和倍性变化联系起来。 Comai 等21首次证明了单拷贝基因在新合成异源多 倍体的表观遗传沉默。他们以四倍体 A. thaliana 和 Cardaminopsis arenosa 为亲本合成人工多倍体, 自 然界中这两个物种的杂交后代为 A. suecica。在合成 A. suecica 的 F1 以及它们的后代中存在形态、开花期 和育性的变异, 而且在 F1 产生的不同株系内部和株 系之间也

30、存在变异。这些变异不能通过孟德尔经典 遗传学得到 解 释, 也没有发现植株 减数分裂畸形率 的增加。使用 cDNAs-AFLP 在 Arabidopsis suecica 中发现有 3 个基因出现了沉默, 2 个来自 C. arenosa, 一个来自 A. thaliana。根据这个小样本, Comai 等推 论在 A. suecica 中至少有 0.4%的基因发生了沉默。与此同时, 科学 家们还对异源多倍 体中来自于 不同 亲 本 的基因 的 沉 默几率 进 行 了研究。 Le e 和 Chen22证明发生在 A. suecica 人工多倍体中的表观 遗传沉默小于自然多倍体。cDNAs-AF

31、LP 发现, 在 亲本 A. thaliana 和 Cardaminopsis arenosa 间具有多 态性的片段, 其中 11%(450/4428)的片段没有证据表 明它们在 A. suecica 中发生共表达。从这 450 个具有 差异表达的片段中选取 110 个进行 RT-PCR, 发现 25 个片段是单亲表达。这些片段的部分编码产物有 4 转录因子、1 个推测的转座酶、1 个 AFT/GTP 核酸图1 自然发生的异源多倍体Arabidopis suecica中5个基因的表达(引自Lee和Chen22并修改)Fig. 1 The expression of five genes in

32、the naturally occurring allopolyploid Arabidopis suecica (Cited and modified from Lee and Chen22)第 2 期刘志鹏等: 低拷贝核基因在异源多倍体植物中的进化与表达167避免源于不 同 基因 组产 生的 异源二聚体的生成 , 还担当一种调 控 基因 表达 的剂 量补偿功能, 这有利于 新表型对环境的快速适应63。2.2 基因的激活在植物多 倍体谱系中 , 原来能在其 祖先 二倍 体 水平上有效 表 达的 基因 , 在新 生的多倍体和古老 的 多倍体中基 因 的表 达水 平在 发生降低的同时 , 也发

33、生了增 强 14,1720 。正 常 的情况下 , 植物体内 的反 转 座 子绝 大部 分 处于 失活 状态 , 但在 基因 组加倍的胁 迫条件下反转座子会被激活。植物可以通过 DNA 甲 基化抑制反 转 座子 的激 活, 两者之 间的因果关系在 拟南芥中已得到了证明64。这些被激活的片段包括 蛋白质编码 基因, 转录 因子和逆转录 因子等65。大 多数的 转座 子 , 尤其 是那 些具 有高 拷贝 数 目 的 , 几 乎都专一性的位于稠密堆积的高度甲级化的异染色 质区。但是胁迫 条 件下由于 异 染 色 质 状 态 的 破 坏 , 一些转座子可以被激活。可移动的转座子会产生有 害的插 入 ,

34、 在二 倍体 条件 下 , 植物 对转 座子活 性的 增 强可 能是 不 适应 的。 与此 相比 , 多倍 体可能会有 利些 , 转座子激活产生的有害结果 可以被基因组的 冗余性缓冲, 从而容忍插入66。Dong 等67用 AFLP 比较了人工合成的新异源六 倍体小麦、它们 的 亲本以及 普 通 小 麦 之 间 的 差 异 ,结果发现人工合成小麦和普通小麦两者都与它们亲本小麦之间存在约 20%的差异带。序列分析表明这 些差异带大多是功能已知的基因和转录因子。DNA点杂交发现这些改变主要是通过 DNA 甲基化模式实现的 , 甲基 化包 括随 机的 和非 随机的 , 但这 两种 形式都是可遗传的。

35、与此相反 , 也有人研 究了从多倍体 水平 到二 倍 体水平的过程中基因的表达状况。依据 Hougas 和冗余 现象 , 这些 冗余的基因大多数 起源于一次或更 多次 的基因加倍。作为 多倍体化的直接结果 , 基因 组中这些基因的表达或是被保留, 或是丢失。Adams70等 用 cDNA 单链构象多态性(cDNA-SSCP)研究了自然 (1 到 2 百万 年 )和 人工合成 的四 倍体棉 花 (G. hirsutum)中 40 对同源基因的表达水平。四倍体 G.hirsutum 由 AD 基因组组成(图 2), 在其胚珠中, 有13 对基因表现出了同源基因的沉默或不均等表达。 其中 5 个基因

36、的表达偏向于 A 基因组, 2 个偏向于 D基因组, 6 个在一些器官中偏向于 A, 在了另一些器官中则偏向于 D。这表明异源多倍体中, 基因的表 达水平都取决于该基因的具体特性和器官的种类。一些 基因对的沉默和不 均等表达是相互的 , 并受到 植物 发育的调控, 如一个同源基因 在某一器官中沉 默 , 而另 一个 同源 基因会 在别 的器 官中 沉默 , 即植 物不同器官对基因组多倍体化的响应不同。植物异 源多 倍体化的过程中 , 一些沉默事 件的发生是受到 了表观遗传的诱导。图 2 棉属中两个核基因的不均等表达A: 棉花胚珠中乙醇脱氢酶 A 的不均等表达。“A”和“D”分别代表二倍体基因组

37、 A(G. herbaceum)和二倍体基因组 D(G. raimondii); “AD” 代表异源四倍体(G. hirsutum); “g”代表基因组 DNA(G. hirsutum)。其 中四倍体片段与其二倍体祖先迁移率不同的原因是多倍体化后该基 因产生突变 , 或 是 二倍 体物 种在 进化过 程中 发生 了突变 ; B: G. hir-sutum 不同器官中草酸氧化酶基因的表达。“A”和“D”代表 G. hirsutum中 A 和 D 基因组的同源基因, 数字代表转录百分数(引自 Adams 等70并修改)。Fig. 2 The unequal expression of two nu

38、clear genes in Gos- sypiumA: Unequal expression of alcohol dehydrogenase A gene in cottonovules. “A” and “D” indicate diploid A- and D-genome species G. herbaceum and G. raimondii, respectively; “AD” indicates al- lotetraploid G. hirsutum; and “g” indicates genomic DNA control from G. hirsutum. The

39、tetraploid sequence migrates differently from the corresponding diploid sequence because of mutations that have occurred postpolyploidization, or mutations that have occurred during the evolution of the diploid species; B: The expression of oxalate oxidase gene in multiple organs of G. hirsutum. “A”

40、 and “D” denote homoeologous genes from the A or D genome of the natural allopolyploid G. hirsutum. The numbers indicate transcriptPeloquin68的方法, Ercolano等69以Solanum tube-rosum(2n= 4x=48)和 S. phureja(2n=2x=24)为亲本, 杂交产生新的二倍体物种, AFLP 研究表明新生二倍体 材料的形成与 S. phureja 的参与有关, 而不是简单的由 S. tuberosum 的卵子细胞发育而成。此外

41、, 新生二倍体材料表 现 出来 四倍 体亲 本不具备的性状 , 即对 Erwinia carotovora subsp. carotovora(Ecc)和马铃薯70percentage (Cited and modified from Adams et al ).病毒 X(PVX)产生了抗性。但是,基因的交换机制仍不清楚。2.3 基因的不均等表达不同倍性物种之间2.4 基因表达变化的内在机制目前 , 对异 源多 倍体中核基因表达 变化的内在 机制人们并没有完全理解。Osborn 等71对多倍体形大多数真核生物的基因组表现出了高度的基因成过程中新表型的出现可能涉及以下 3 种途径, 基因表达的剂

42、量调控、基因表达网络调控的改变和快 速的遗传和 表 观遗 传变 化。 参考这一观点 , 我们认 为快速的表观遗传变化是其他两种途径产生作用的 分子基础, 而表观遗传变化的关键是 DNA 甲基化和反转座子的插入。在环境胁迫的条件下(包括基因组水平上的胁迫 ), 植 物 体内大 量 的反转座 子 被 激 活 ,从而调控基因的表达, 但是 DNA 的甲基化可以抑制 反转座子的 激 活, 从而与反转座子 一起对基因的表 达进行调控。 表观遗传 是指在基因中 可遗 传的 改变 , 这种 变化 并非 发生 在 核苷 酸序 列上 , 但仍 然具 有表型上以 及进化上的结果66。表观遗传控制基因表达的途径 有

43、两种, 一是 DNA 自身化学性质的改变, 二是 DNA 包装蛋白组蛋白的修饰(图 3)。DNA 的甲基化经常 发生在与鸟嘌呤相邻的胞嘧啶上, 称之为 5-胞嘧啶 甲基化。甲基化的发生 受到一种蛋白的控制 , 这种 蛋白通过调控染色质结构可以改变基因表达。在第二种情 况下 , 更 多 的 复 合 体 涉及 到组蛋白的 改变 ,每一个组蛋白具有一个凸出的尾巴, 有 20 多种化学 修饰可以与之作用(常见的有乙酰化、磷酸化和甲基化等), 从而改变 DNA 的拓扑结构, 或调控染色质 的紧缩/伸展, 使基因与调控蛋白的结合能力发生改变72,73。这些可遗传的修正被称之为表观遗传密码,与 DNA 序列

44、相比, 表观遗传学密码更容易受到环境 的影响。3总结与展望发生多倍体中基因重复事件会产生冗余的同源基因 , 由 于 选 择压力 的松 弛 , 同源 基因 各自 积累 不同的 遗传 变 异 , 进而改变基因的结 构和功能。综合 前人的研究结果, 低拷贝核基因主要有 3 种不同的进化 命 运 : 一 是由于 随机 突变 的积 累 , 导致基因沉 默或 失 活 , 即非功能化 (nonfunctionalization); 二是 由于 突变 而获 得 新 的 功 能 , 并经 选择 后被 保留 , 即新 功能化 (neofunctionalization), 这 是 该 基 因活性位 点 附 近 的

45、 碱基发 生替 换而导 致的 ; 三是亚 功能 化(subfunctionalization), 这也是多数基因的命运 , 即同源基因的所有拷贝都可能由于选择压力的松弛而 发生 突变 , 这种 突变经常发生在基 因的启动子和顺 式调 节元 件 上 , 致使不同拷贝在表 达时间和表达器 官上 产生了明显的分化 , 从而 分担了祖先基因的 功能75。低拷贝核基因是分析植物异源多倍体系统发生 的一 种有效手段, 它不仅可用于探 讨不同倍性水平 (或是同一倍性不同物种)间的系统演化关系、群落的遗传 结构和植物谱系地 理学等, 还 可以用于研究不 同基 因的起源和进化历 史。就前一点而言 , 植物间 谱

46、系发育关系的建立对于通过远缘杂交引入抗逆基 因 , 培 育 植 物 新 种 质 具 有 重 要 的 实践意义 ; 对于后 一点 而言 , 基因 重复和分化的研究 可以为新基因的 起 源或基因 的 功能分化提供历史依据 。 进 一步讲 ,将低 拷贝基因的进化与 表达联系起来 , 有助于从基 因进化和物种进化的角度研究基因序列和基因功能之间的关系。随着 芯片 技 术 的日 趋 完 善和 普及 , 人们 已经 成 功将其用 于酵母不同倍 性对基因 表达的影响76, 这 为我们研究异源多倍体植物谱系的基因表达提供了一种 有力的工具。另外 , 以甲 基化和未甲基化的 片段作 为杂 交探 针 , 与基 因

47、组 芯片 进行 杂交 , 可以 快 速地获得甲基化状态发生变化 DNA 的序列特征。由于同一属内, 不同倍性的物种(同一倍性不同物种或 同一物种 的 不同亚种 ) 基 因 的 表达变 化具 有不 同的 特点。基因表达的变化应当在多个模式多倍体谱系中进 行系统的研究 , 因为不同谱系 中可能存在不同 的机制71。现在大多数的研究集中在拟南芥、油菜、 棉花 、玉米和小麦上 , 将研究范围 转移到其他植物 谱系 中可能会有新的发 现。此外 , 通过 人工合成的 手段 , 研究 人工 异源多倍体对基因 组冲击的快速响 图 3 表观遗传中的Qiu72并修改)DNA 甲基化和组蛋白修饰( 引自Fig. 3

48、 The DNA methylation and Histone modification in epi- genetics (Cited and modified from Qiu72)此外 , 异源多倍体的基 因表达变化 还与 该多 倍体中非整倍体细胞的存在有关。非整倍体的作用方 式主要是以 下 两种 , 即染色质调控 因素的剂量不平 衡性和非配对染色体对表观遗传修饰的易感性74。第 2 期刘志鹏等: 低拷贝核基因在异源多倍体植物中的进化与表达169of Triticum and Aegilops. I. Changes in low-copy non-coding DNA sequenc

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