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生科院田大成/杨四海研究团队在脉孢菌有性生殖突变研究中取得进展

发布者:刘姝伶发布时间:2020-06-22浏览次数:10

我校生命科学学院田大成/杨四海团队在突变研究中取得进展,研究成果Repeat-induced point mutation in Neurospora crassa causes the highest known mutation rate and mutational burden of any cellular life在国际期刊Genome Biology在线发表。我校杨四海教授及Bath大学的Laurence教授是该论文的通讯作者,王龙副教授及博士生孙莹莹和孙晓光是该论文的共同第一作者。

性的起源与演化从达尔文时代就引起人们广泛的关注。有性繁殖方式的资源消耗远高于无性繁殖,但真核生物却偏好性的选择有性生殖作为其主要的繁殖方式,其演化的优势究竟在何处,一直以来是进化研究领域最重要科学问题之一。经典假说从降低有害突变率的角度对此进行了解释,认为有性生殖通过同源染色体的重组,能够有效的避免有害突变在种群内的积累。该理论假设,采取有性生殖方式的物种其基因组每个世代产生的有害突变数量不低于1,有性生殖对于清除有害突变的贡献将高于其自身的资源投入,从而被选择所青睐,这是长期进化选择的一个结果。但该假说很难直接证明。另外一种长期被忽略的证明思路是,考虑该假说是否存在反例——例如能否找到某个物种,其有性生殖恰恰是导致高突变产生的原因?通过系统性的分析与研究,研究团队发现粗糙脉孢菌(Neurospora crassa)正是具有这一特殊现象的物种,其对前述假说提出了挑战。

脉孢菌物种兼具无性生殖及有性生殖两种繁殖方式,在其有性生殖过程中,存在特殊的重复序列诱导的点突变(Repeat Induced Point mutation,简称RIP)现象,能够特异性识别并突变基因组中的重复序列。该现象虽然早已发现,但相关研究仅局限于外源引入的特定片段,至今尚未明确该现象在脉孢菌全基因组中扮演的角色。通过系统的构建有性杂交组合(图1a)并进行基因组测序,研究人员首次对脉孢菌全基因组中的突变进行了精确检测,并与无性过程以及RIP缺陷菌株的有性过程进行了比较(图1b)。研究人员发现:(1)在有性生殖过程中,脉孢菌基因组确实存在典型的RIP现象,即在重复区域有明显的成簇的C->T(或G->A)方向的突变,并且发生在单链上;(2)然而实际上只有少部分重复序列存在RIP现象,大部分重复序列并未检测到成簇突变的产生;(3)更为意外的是,在非重复序列(例如很多基因序列)当中也检测到了突变率的明显提升,并且这些突变很多并不具有明显的RIP特征,表明与RIP可能不存在直接的关联。这些结果表明,脉孢菌基因组中编码区域每代的突变数量达到了5,远高于人类或其他物种当中的观测值(图2),这一例外对很多性演化经典学说的前提假设提出了挑战,启示我们,可能有更多因素在繁殖方式的选择中起到了重要的作用。

图1.实验设计与材料方案。(a)脉孢菌有性及无性周期示意图及取样策略;(b)选取的菌株遗传背景关系图。


这一研究不仅为性演化相关假说的定量检验提供了线索,而且强调了基因组层面的突变研究对于了解物种演化规律的重要性,为了解基因组演化动力和突变分子机制打下了基础。


图2.脉孢菌有性生殖周期突变率的特殊性。目前为止对突变率的研究表明:(a)全基因组突变率与基因组大小在真细菌中呈现负相关、而在真核生物中呈现正相关关系;(b)编码区域的突变率与基因组大小在绝大多数物种中呈现正相关关系。在这几种关系中,脉孢菌有性周期的突变率(图中S所示)均显著偏离一般规律。

该研究得到国家自然科学基金项目(No. 31671322, No. 31970236, No. 31870205, 和No. 31601041)的支持。该研究的顺利实施,也得到南京大学仙林校区作物分子遗传实验站的支持。




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