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2022年5月4日，The Plnat Cell 在線發表了題為 “Evolution and origin of bread wheat” 的綜述，系統地介紹了面包小麥的起源及演化歷程。上期我們了解了六倍體面包小麥的起源，這期小編將帶大家領學異源六倍體小麥演化的故事。
小麥的物種形成 異源多倍體化在植物物種的形成和進化過程中起著重要的作用，面包小麥即通過多倍化進化而來。異源多倍體化構建了一種激進和快速的物種形成模式，其通過不同物種的種間或屬間雜交，再經歷 F1 雜種的染色體加倍，即可產生一個新的物種。關于多倍體的適應性目前還存在很多爭論，最近一項利用數萬個物種進行meta分析的研究表明，影響多倍體適應性的因素諸多，其相對二倍體在干旱和低溫氣候條件下具有更強的競爭力。多倍體的這種強于二倍體近緣屬的適應能力可以通過多種機制實現，包括新的基因組間的互作、基因表達的重新布局、新的劑量效應、新的蛋白質復合物和雜種優勢固定。馴化是在植物進化過程中靠后發生的事件，其似乎有利于小麥和其它幾種作物的異源多倍體化，這可能是因為異源多倍體可以快速的適應新的栽培環境所致。二倍體單粒小麥的種植規模小于四倍體硬粒小麥，而四倍體硬粒小麥僅占六倍體面包小麥面積和產量的 10%。 所有二倍體草種都被認為是經歷了至少一次全基因組復制事件的古多倍體，在進化尺度上，多倍化發生在細胞學和遺傳學二倍體化之后。遺傳學上的二倍體化最早由 Ohno 于1970年提出，其可使異源多倍體中的冗余或不平衡的基因系統趨向于二倍體-like的表達模式。這可通過多種機制來實現，比如基因突變、消除、假基因化或基因劑量補償等。同樣，細胞學上的二倍體化對于新異源多倍體物種生育能力的獲得至關重要，其可為亞基因組間新的有益的相互作用提供穩定的遺傳。 核型進化 前人研究表明，祖先的Triticeae核型被認為是來自 n = 12 的祖先草類核型，如在水稻中看到的那樣。比較遺傳學研究表明，在不丟失基因的情況下，從 n?=?12 減少到 n?=?7，是通過四個著絲粒祖先染色體融合、一個裂變和兩個端粒祖先染色體融合來實現的。小麥科基本染色體數目 n?=?7 是通過 5 個功能性著絲粒的缺失進化而來的，其中 4 個對應于水稻染色體 Os4、Os5、Os6 和 Os9，第 5 個對應于 Os3 或 Os11。 普通小麥的基因組在 A 亞基因組上的 A4 和 A5 之間以及 4A 和 7B 之間存在易位，形成了現在的 21 條染色體。小麥中最突出的大規模核型變異之一是染色體 5B 和 7B 之間的易位，在 Walkowiak 等人測試的大多數品系中均可見這種易位。序列數據顯示，染色體 5B 和 7B 之間的易位長度分別約 737 和 762?Mb，導致易位的染色體長度分別為 488?Mb（5BS/7BS）和 993?Mb（7BL/5BL）。ArinaLrFor 和 SY Mattis 的易位斷點被映射到了一個~5-kb GAA 微衛星上。 基因及其順序的進化 ?異源多倍體涉及遺傳冗余，即使在數百萬年前不同亞基因組彼此歧化的異源六倍體中也是如此。Ernie Sears 在一項里程碑式的研究中證明了這一點，其證明了一個亞基因組的 7 對染色體中的每一對都可以彌補另一個亞基因組中一對特定染色體的缺失。補償對被稱為同源（具有部分同源性），因此，小麥基因組可以分為 7 個同源組和 3 個亞基因組。從進化的角度來看，這項研究還表明，盡管它們存在歧化，但亞基因組保持了相對高的相似性。 在分子水平上的研究揭示了面包小麥同源染色體中的高水平基因同線性和共線性。六倍體小麥亞基因組之間的差異/相似性的性質只有在面包小麥中國春的高質量注釋序列公布后才能完全被理解，Ernie Sears 在分析小麥染色體同源性時也是用中國春。中國春基因的注釋確定了 107,891 個“高置信度”基因，它們幾乎均勻分布在 A、B 和 D 亞基因組之間。同線性在三個亞基因組中高度保守。與亞端粒區域或中心區域相比，間質區域的同線性更為突出，具有更大的同線性塊。如 Akhunov 等人所示，亞端粒區域中較高的基因復制和缺失率是同線性減少的部分原因。只有 55% 的基因在所有三個亞基因組中都具有同線性同源物，而 15% 的基因至少有一個缺失的同源物但有旁系同源物。每個亞基因組中缺失同源物（基因丟失）的百分比相似（~10%）。 通過對單個小麥 BAC 克隆和 BAC 克隆重疊群的測序分析表明，基因聚集成許多由 3-4 個基因組成的小島，其中散布著逆轉錄元件。普通小麥 3B 染色體遠端區域的基因密度高于基因組其它區域，這是因為這些區域中重復基因的發生率較高。例如，在Ae. tauschii 和面包小麥 D 亞基因組中，只有 87.4% 的基因存在于預期的直系同源位置，這體現出了與全基因組重復無關的動態基因拷貝數變異。一些基因家族，如醇溶蛋白基因（包括麥谷蛋白和麥醇溶蛋白）和抗病基因是最容易與其它草類非直系同源的基因家族。 在面包小麥中，基因家族擴增通常發生在亞基因組的野生祖先或共同祖先中：在 8,592 個擴增的家族中，6,216 個家族在所有 3 個 A、B 和 D 亞基因組中擴增，而 1,109 個家族僅在一個亞基因組中擴增，并且只有 78 個基因家族收縮。有趣的是，亞基因組擴增的家族之間存在顯著的功能差異：A 亞基因組中過度表達種子相關基因（胚胎和胚乳）， B 亞基因組中過度表達營養生長和發育相關基因。在所有 3 個基因組中擴增的家族都富含被認為在小麥育種中發揮重要作用的基因，這些基因與產量或抗生物和非生物逆境有關。 Walkowiak（2020）等人分析了不同面包小麥品系的基因組序列，發現同源染色體上的基因順序高度共線性，且基因組大小整體相近。然而，~12% 的基因在不同品種之間表現出“存在/不存在變異”。多倍體背景中的缺失可能比二倍體背景中的缺失快 10 倍。另一方面，重復豐富的基因間區環境可以將基因復制加速 20 倍。實際上，重復，通常是轉座子（TE），可以通過不等/異位交叉、基因側翼螺旋子或捕獲移動結構中的基因來促進基因復制。這種動態的基因拷貝數變異可能是通過全基因組復制的緩沖效應來實現的，從而能夠隨著時間的推移耐受住廣泛的遺傳變化。 導致遺傳和細胞學二倍體化的快速遺傳和基因組變化 雜交種或異源多倍體的基因組融合對新生物種產生了細胞學和遺傳學的挑戰。例如，同源配對可能導致部分不育和多體遺傳，不同亞基因組的調控元件之間的基因組沖突可能導致雜交壞死，基因表達的重新布局也可能會降低新生物種的適應性。據推測，無法迅速克服這些挑戰的新異源多倍體物種將無法在自然界中形成和生存。 在異源多倍體化后，立即觸發影響基因組結構和基因表達的各種基本遺傳和表觀遺傳變化可能對于實現遺傳和細胞學二倍體化至關重要。在新形成的異源多倍體中的這些變化已見報道，包括編碼和非編碼 DNA 序列的消除、轉座子和串聯重復消除或擴增，以及基因表達修飾。值得注意的是，序列消除通常是可重現的，因為具有相同基因組組合的合成和天然異源多倍體中消除了相同的序列。在許多情況下，序列消除會在基因組中留下同源特異性序列。這種差異消除導致同源染色體的快速分化，為促進染色體同源性識別提供了物理基礎，并使六倍體小麥在完全同源的染色體之間表現出亞基因組內配對的形式（二倍體-like減數分裂行為）。小麥組的異源多倍體物種的 DNA 比其親本物種的總和少 2%–10%，合成的異源多倍體表現出類似的損失，這些證據再次表明小麥異源多倍體化后迅速發生了DNA 消除。 TEs 活性可由異源多倍體化觸發，從而影響基因表達并誘導許多包括缺失或重復在內的結構重排。由于 TE 的拷貝數多，其具有區分亞基因組的最高潛力。在面包小麥中，TE 占總基因組的 80%–85%，具有 70% 的長末端重復反轉錄轉座子 (LTR) 和 12% 的 DNA 轉座子 。最近轉座的的“年輕” LTR 元件往往位于染色體臂的富含基因的重組遠端部分，而“老”的 LTR 元件往往在小麥品系中保守，并且位于染色體中心周圍的異染色質區域。因此，最近的轉座有助于促進同源配對重要區域的亞基因組差異。TE 也有可能通過轉座、誘導同源重組和表觀遺傳重新模式化來影響基因組結構和功能。由于 TEs 的活動受表觀遺傳調控，它們的激活可能是由遺傳和環境變化誘導的。因此，TE 可能會突變基因、改變基因調控并產生新基因，以應對環境變化，從而為進化提供'燃料'。與基因相關的 TE 可以通過其 LTR 活性影響相鄰基因的轉錄，有趣的是，~70％ 的亞基因組同源基因的表達水平是平衡的，即同源等位基因通常以相同的水平表達。而剩余 30% 的不平衡表達通常與啟動子區域附近 TE 的多樣性有關。小麥 TE 可以影響剪接和內含子保留。微型倒置重復轉座元素（MITEs）也顯示出與小麥基因的緊密聯系，其靠近基因，或在轉錄組內。所有這些都表明 TE 是動態基因組變化和基因表達調控的驅動因素，并在建立基因組結構、基因表達和進化中發揮重要作用。然而，一些 TEs 的活動是有害的，但可以通過抑制 TE 活性的幾種表觀遺傳基因組穩定因子得到緩解，例如胞嘧啶甲基化或小 RNA 。盡管如此，TE 在整個小麥進化過程中仍保留了一定程度的流動性，這一點從面包小麥亞基因組之間以及同一亞基因組中不同品種之間的高度多樣性中可以看出，而且新合成的小麥異源六倍體中的 MITEs 也體現出了這一點。 基因滲入是小麥進化過程中增加遺傳多樣性的重要機制。事實上，從野生二粒小麥到馴化二粒小麥或面包小麥的過程中均存在大量的自然滲入，導致基因組的變異性更高。這是因為具有相同 BBAA 基因組的野生二粒小麥和馴化的 T. turgidum 亞種之間容易雜交。此外，從考古記錄中可以看出，馴化的初始過程可能需要大約 2-3,000 年。與這些生物學和考古學數據一致，馴化二粒小麥基因組的變異包含野生二粒小麥的 73%。T. aestivum 地方品種的基因分型表明，野生或馴化四倍體小麥的很大一部分變異也已進入到面包小麥基因組的 A 和 B 亞基因組中，這表明四倍體和六倍體小麥之間只有有限的遺傳屏障。二倍體 Ae. tauschii 和六倍體小麥之間很難雜交，因為產生的基因組ABDD四倍體雜交種是高度不育的，這與D亞基因組的變異性比A和B亞基因組低2-5倍的發現想一致。盡管如此，從全基因組測序來看，還是發生了一定程度的基因滲入。在非同源基因組之間發現了基因滲入，被視為單核苷酸多態性 (SNP) 的不一致區塊，這些 SNP 主要來自 B 到 D 譜系，其特異存在于另一個物種中，并且不遵循物種的系統發育。然而，這些基因滲入相對罕見，并且發生在四倍體小麥形成之前。 同源及同源重組 同源染色體之間的減數分裂重組是小麥進化和育種多樣性的主要引擎。如上所述，通過面包小麥和野生近緣植物的同源基因組之間的重組，A和B基因組的滲入相對頻繁。Dvorak (2009)分析發現，Triticeae基因組在基因含量從近端向遠端增加后，沿中心粒-單粒軸有一個陡峭的重組梯度。Saintenac 等在對面包小麥3B染色體排序的交叉模式的研究中也顯示，交叉頻率從中心粒到端粒逐漸增加。此外，他們還表明，高基因密度和頻繁重組的小染色體片段與低基因密度和不頻繁重組的相對較大的區域交錯在一起。交叉在這些基因密集區域內頻繁發生，其中重組程度至少比基因組平均值大 11 倍。3B染色體交叉的精細圖譜顯示，82%的交叉發生在19%的染色體長度上，位于攜帶60%-70%基因的亞染色體區域，其余約 35% 的基因位于重組較差的染色體區域，阻礙了這些區域中有害突變的消除或有益突變的滲入。重組往往發生在基因中或基因附近，通常發生在啟動子區域。大多數重組事件發生在以特異基序富集的區域上，例如 CCN 或 CTT 重復序列或富含 A 的區域，并且與典型的染色質修飾相關。最近發現RecQ螺旋酶基因家族的一個新成員與六倍體小麥的高雜交頻率有關。 小麥亞基因組之間以及種間或屬間雜種中同源配對的最有效抑制因子是基因 Ph1, 其位于染色體臂 5BL 上，并抑制 homoeologous 配對而不影響同源染色體配對。在沒有 Ph1 的情況下，面包小麥的 A、B 和 D 亞基因組的同源基因之間或六倍體小麥與野生近緣種雜交的同源染色體之間可發生配對。Ph1 基因座的大小約在 2.5 Mb，該區域仍然包含幾個可能影響染色體突變和重組的候選基因：C-Ph1、CDK2-like基因、甲基轉移酶基因和 TaZIP4-B2。最近，TaZIP4-B2 的兩個突變體，即由甲基磺酸乙酯（EMS）誘導的點突變和由 CRISPR-Cas9 誘導的缺失，產生了大量同源配對，使其成為最有可能的 Ph1 候選基因。除了Ph1，在普通小麥中至少還有另外兩種同源配對抑制因子，分別命名為Ph2 和Ph3，它們的效力低于Ph1。最近分離出 3DS Ph2 基因座 ，發現其編碼小麥的 DNA 錯配修復基因 MSH7 的同源基因 TaMSH7 。 同源抑制是如何進化的仍然知之甚少。它似乎存在于二倍體水平。然而，二倍體活性似乎太弱，無法解釋面包小麥中所見的同源抑制。Riley (1960) 和 Sears (1976) 假設 Ph1 在異源四倍體水平上進化，與異源多倍體化過程平行或緊隨其后。Ph1 的進化似乎是漸進的，隨著多倍體的活性增加，二倍體?<?四倍體?<?六倍體。只有在更充分地了解 Ph1 的分子作用模式時才有可能追蹤同源配對抑制的演變，但這在沒有現存的 B 供體物種的情況下很難實現。 在自然界中，面包小麥品系中通過同源重組引發的基因滲入數量似乎相對較少。然而，當它發生時，同源重組事件被證明優先發生在外顯子內，以產生新的雜交轉錄物和蛋白質，可能是因為這些區域的同源性較高所致。這與優先發生在啟動子中的同源重組不同。 總結 小麥基因組中的異源多倍體使許多層面上的快速變化成為可能。異源多倍體化提供了一種快速的物種形成模式，該模式引發了重復 DNA（如著絲粒、NORs 和 TEs）的大規模變化，以及基因的消除和復制，從而導致了同源基因組的差異。然而，盡管有這些快速變化，但由于表觀遺傳調節和 Ph1 基因座的存在，控制了同源染色體而非 homoeologous 的優先配對，從而維持了基因組的穩定性。據推測，所有這些機制都有助于小麥基因組的快速遺傳和細胞學二倍體化，確保了新生物種的遺傳和生育力，消除了冗余，并保持了亞基因組之間的雜種優勢互作。 |
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