异源六倍体小麦形成初期减数分裂过程中染色体稳定性的探究

发布时间：2020-06-21 02:29

【摘要】：普通小麦是世界三大粮食作物之一,是全球粮食安全的基础。普通小麦(Triticum aestivum L.,BBAADD,2n=6X=42)的进化历程经历过两次杂交多倍化事件,第一次是发生在约0.5百万年前的异源四倍化事件,第二次是发生在约8 000年前的异源六倍化事件。普通小麦既是年轻的异源多倍体代表,又是杂交多倍化后形成物种的典型范例。现存的普通小麦均为整倍体,而在新合成的异源六倍体小麦中非整倍体普遍发生,并且在实验室条件下,整倍体与非整倍体间无明显的适合度差异。但有关六倍体小麦形成初期如何解决减数分裂过程的不稳定性所带来的挑战以及提高其成为新物种所必须的适合度等关键问题的研究还鲜有报道。因此,本研究以一种新合成异源六倍体小麦的较早期世代群体为实验材料,通过模拟在六倍体小麦起源地可能发生的环境条件,筛选出核型稳定的抗性个体,通过核型鉴定及减数分裂过程中染色体行为的分析,结合转录组测序来探究并找到异源六倍体小麦中与减数分裂中染色体行为相关的基因。首先,对新合成的异源六倍体小麦群体进行热胁迫和盐胁迫的处理,从中筛选获得个胁迫条件下的抗性群体,通过荧光原位杂交(FISH)和基因组荧光原位杂交(GISH)的分子细胞学方法对抗性群体进行核型鉴定。结果发现,两个抗性群体的整倍体比率约达80%且远高于对照群体(35.5%)。为了验证抗性群体中的抗逆性以及核型稳定性是否可遗传,我们进一步对抗性群体进行了连续三代的抗性评价和核型分析。结果显示,与对照群体相比,耐热群体和耐盐群体均可以将其抗性稳定传递给后代,并且其后代群体始终保持高整倍体比率(73.68%-93.33%)。其次,选取耐热群体、耐盐群体和对照群体的第三代植株进行减数分裂过程中染色体行为的分析。结果显示,花粉母细胞减数第一次分裂中期的染色体异常行为主要表现为单价体的出现,部分花粉母细胞还出现了二价体提早解离的现象;减数第一次分裂末期出现了同源染色体在向两极移动过程中的滞后现象。进一步分析发现单价体在不同染色体及亚基因组的分布体现出了明显的偏好性,这与体细胞核型鉴定中非整倍体产生的偏向性结果基本一致。其中,4B染色体为观察到单价体频率最高的染色体,B亚基因组为观察到单价体频率最高的基因组。统计发现,耐热、耐盐群体中单价体、二价体提早解离以及染色体滞后的现象出现的频率显著低于对照群体,表明抗性群体后代在减数分裂过程中染色体的稳定性显著高于对照群体。为了从分子水平观察抗性群体与对照群体在减数分裂过程中染色体稳定性的差异,我们以第三代群体作为实验材料,同时以核型稳定并且减数分裂正常的栽培六倍体小麦中国春(Chinese Spring,CS)作为正向对照,分别选取叶片及处于减数分裂前、减数第一次分裂、减数第二次分裂及三核期花粉四个发育时期的花药进行转录组测序分析。参考拟南芥中与减数分裂相关的基因,我们筛选出小麦中与减数分裂相关的基因列表,通过差异表达基因的比较分析,在减数分裂基因列表中发现了12个候选基因,其在抗性群体中的表达模式趋近于中国春,判断这些基因可能对维持减数分裂过程中染色体的稳定性有重要作用。我们采用病毒诱导基因沉默(VIGS)的方法对其中两个基因分别进行功能验证,结果显示在这两个基因表达显著降低的沉默系中,减数分裂过程中单价体、二价体提早解离及染色体滞后出现的频率显著提高,并且其减数分裂过程中染色体异常的行为与在新合成异源六倍体小麦中发现的极其相似。以上研究表明,减数分裂相关基因在表达水平上发生的可遗传的改变可以与植物对胁迫的抗性能力同时被筛选出来,并且显著增加新形成六倍体小麦的减数分裂稳定性。从进化的角度讲,它们呈现出一种拱肩(Spandrel)效应,即虽然整倍体本身不一定表现为适合度的增加,但因其在遗传上与具有适应意义的胁迫抗性相关联而被间接选择并保留下来。本文研究结果为异源六倍体小麦形成初期如何快速降低减数分裂过程中染色体的不稳定性这一问题提供了一种新颖的解释。
【学位授予单位】：东北师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S512.1
【图文】：

全基因组,拟南芥,多样性,染色体

5图 1. 拟南芥染色体展示及减数分裂基因在全基因组内的多样性[2, 3]。（A）A. arenosa 二倍体、天然同源四倍体及秋水仙素加倍形成的同源四倍体的体细胞、减数分裂终变期及减数分裂中期 I 的染色体数目及二价体分布，白色箭头指示秋水仙素加倍形成的同源四倍体终变期多价体及染色体连接现象。（B）四倍体 100 个 SNP 窗口核苷酸多样性与倍性之间差异的关系。加粗虚线代表线性回归拟合曲线，浅灰色虚线代表 1%的临界值曲线，蓝色线标记指示 1 个基因被检测到的多个片段。（C）减数分裂基因 ASY3 序列在二倍体与四倍体间的单核苷酸多态性频率差异。

硬粒小麦,野生种,穗型,普通小麦

的交叉同步进行，导致更多的交叉形成[50]。此外，极端温度会影响纺锤体以及细胞板的正常形成，从而导致未减数配子的产生[56, 57]。除了温度变化以外，干旱、激素、杀菌剂、病原体以及蚱蜢、蜜蜂等生物和非生物环境因素都会影响植物减数分裂的交叉频率[43, 58-60]。三、小麦进化小麦，禾本科（Gramineae），小麦族（Triticeae），小麦属（Triticum），同玉米、水稻并称为是全球三大粮食作物，其种植历史悠久，对人类文明发展史起着决定性作用，至今仍是世界大多数国家的基础粮食作物。小麦最初起源于中东的近东部地区，该地区由于分布于两河流域，土壤肥沃，因此成为两河流域文明的发源地，又因为整体上看来形似新月，后被考古学家詹姆士·布雷斯特德（JamesHenryBreasted）称为“新月沃土”。公元一万年前，人们开始种植小麦和大麦，约公元七千年前，新月沃土区已成为粮食生产基地，其地域所特有的全新世气候伴有高温干旱以及盐水浇灌成为当地作物的生长条件，因此小麦也是最早的栽培植物之一[61]。

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