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長期多代高溫植物基因突變原理獲揭示
作者：崔雪芹 張運 來源：中國科學(xué)報
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團(tuán)隊以擬南芥為對象研究多代高溫下植物基因突變的原理（揚州大學(xué)供圖）
近日，揚州大學(xué)園植學(xué)院教授校金飚和農(nóng)學(xué)院徐辰武在《基因組生物學(xué)》期刊在線發(fā)表題為“多代高溫脅迫下擬南芥全基因組DNA突變研究”的最新研究成果。該研究首次從種群遺傳譜系和單粒種子遺傳譜系兩個層面揭示了長期多代高溫下植物的DNA突變速率和突變譜規(guī)律，為闡明長期環(huán)境脅迫下植物分子進(jìn)化機(jī)制提供了重要的理論依據(jù)，同時為探索植物對未來氣候變暖的長期響應(yīng)和適應(yīng)趨勢提供了前瞻性預(yù)測。
氣候變暖已成為全球關(guān)注的熱點問題之一，高溫脅迫嚴(yán)重影響植物和農(nóng)作物的生長發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)。當(dāng)前，有關(guān)植物高溫脅迫響應(yīng)和適應(yīng)機(jī)制的研究主要集中在短期高溫下植物形態(tài)生理、轉(zhuǎn)錄調(diào)控以及脅迫記憶等方面。但對長期多代高溫脅迫下植物遺傳變異研究卻極少涉及。
突變是生物體遺傳和變異的基礎(chǔ)，是生物進(jìn)化的根本驅(qū)動力。植物作為固著生長的生物，其體溫隨著環(huán)境溫度的變化而改變，而長期環(huán)境溫度升高對植物基因組DNA突變的影響尚不清楚�！犊茖W(xué)》雜志創(chuàng)刊125周年之際公布了125個最具挑戰(zhàn)性的科學(xué)問題。其中一個就是“外界壓力環(huán)境下，植物的變異基礎(chǔ)是什么？”
該研究團(tuán)隊通過10多年努力，以模式植物擬南芥（生長周期短、基因組小、遺傳背景清晰）為研究材料，成功獲得不同高溫多代的種群譜系和單粒種子譜系。團(tuán)隊通過全基因組測序分析和多重驗證，確定了多代高溫能顯著加速DNA突變積累、改變分子突變譜；突變位點呈現(xiàn)非隨機(jī)性分布，基因間區(qū)、編碼區(qū)及轉(zhuǎn)座元件突變頻率明顯增加；更多突變發(fā)生在防御響應(yīng)、DNA修復(fù)及信號等方面。
團(tuán)隊進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，實驗中用來測定突變積累的植物種群和株系的突變位點分布模式顯著不同，表明種群受到了更強(qiáng)的選擇作用。團(tuán)隊通過突變偏向性分析表明，多代高溫突變更偏向于低基因密度區(qū)、特定的三核苷酸及串聯(lián)重復(fù)或簡單重復(fù)區(qū)域。聯(lián)合DNA甲基化分析發(fā)現(xiàn)，甲基化有助于多代高溫DNA突變的積累。
該研究揭示了環(huán)境變暖趨勢下植物的突變規(guī)律，這一發(fā)現(xiàn)有助于解釋植物緯度生物多樣性梯度以及冰期-暖期植物分子進(jìn)化和物種形成機(jī)制。
相關(guān)論文信息：https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-021-02381-4