突變是生物體遺傳和變異的基礎，是生物進化的根本驅動力。在長期高溫逆境下，植物對高溫的響應和適應的變異基礎和變異規(guī)律是什么？
揚州大學教授金飚團隊和徐辰武團隊花費近10年時間，首次從種群遺傳譜系和單粒種子株系遺傳譜系兩個層面，揭示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化機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和適應趨勢提供了前瞻性的預測。相關研究近日在線發(fā)表于《基因組生物學》。
近年來，由于全球氣候變暖，高溫已經(jīng)成為全球關注的熱點問題之一。高溫熱害已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)主要災害之一，在多國家多地區(qū)頻繁發(fā)生。高溫脅迫嚴重影響經(jīng)濟作物的正常生長發(fā)育、產(chǎn)量和品質，例如光合效率下降，生命周期縮短，生產(chǎn)力下降等，導致農(nóng)作物大面積減產(chǎn)。
迄今為止，有關植物高溫脅迫響應和適應機制的研究主要集中在短期高溫下植物形態(tài)生理、轉錄調(diào)控以及脅迫記憶等方面，而長期多代高溫脅迫下植物遺傳變異研究卻極少報道。該研究方向也被列入Science創(chuàng)刊125周年之際公布的125個最具挑戰(zhàn)性的科學問題——“植物抗逆變異基礎是什么？”
論文共同通訊作者金飚介紹，盡管已知高溫顯著影響植物的生長和發(fā)育，但高溫如何誘導植物突變積累仍不清楚。為此，該團隊以模式植物擬南芥為研究材料，不同高溫多代的種群譜系和單粒種子譜系，連續(xù)培養(yǎng)繁殖10-22代，并對其進行了全基因組測序分析和多重驗證，結果證實了多代高溫確實能顯著加速DNA突變積累、改變分子突變譜。
為何選擇同時針對種群譜系和單粒種子譜系開展高溫脅迫研究？
論文第一作者、揚州大學農(nóng)學院路兆庚解釋，前人對植物突變研究主要建立在單粒種子遺傳突變積累的基礎上，然而自然界植物通常以種群的方式繁殖多代，而不是以單粒種子的方式繁殖多代。因此，比較多代高溫種群譜系和單粒種子遺傳譜系這兩種情況下的突變速率、突變屬性及選擇壓力，更具有參考性。
該團隊研究發(fā)現(xiàn)，高溫會引起植物轉座元件激活，不僅影響鄰近基因的表達，還加速基因突變，從而維持基因組穩(wěn)定性。因此，他們提出了一個猜想，即長期高溫多代影響下，植物基因組水平上轉座子突變頻率及其它區(qū)域可能會隨之發(fā)生變化。
隨后，該團隊對猜想進行了實驗驗證，通過對高溫多代下擬南芥的突變位點和各區(qū)域頻率進行檢測與計算，發(fā)現(xiàn)突變位點呈現(xiàn)非隨機性分布，基因間區(qū)、編碼區(qū)及轉座元件突變頻率明顯增加；更多突變發(fā)生在防御響應、DNA修復及信號等方面。這一結果再次從分子角度明確了多代高溫下植物的突變規(guī)律。
進一步分析發(fā)現(xiàn)，多代高溫促使更多的突變積累在防御響應、DNA修復、信號轉導，以及高溫轉錄響應等基因上；DNA甲基化、TE及突變位點顯著相關，位點甲基化促進了高溫下突變積累；且多代高溫積聚的突變明顯偏向于低基因密度區(qū)域、特定的三核苷酸及重復序列。
論文共同通訊作者徐辰武表示，全球氣候變暖背景下，高溫已成為影響植物生長發(fā)育的主要環(huán)境問題之一，因此探明植物高溫多代逆境下的變異基礎有助于進一步揭示環(huán)境變暖趨勢下植物的突變規(guī)律。“我們的研究有助于解釋植物緯度生物多樣性梯度以及冰期—暖期植物分子進化和物種形成機制。”
相關論文信息：https://doi.org/10.1186/s13059-021-02381-4
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