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Plant Physiology | LEHU乐虎联合蔬菜花卉所发表黄瓜减数分裂重组多组学图谱

2023-08-08 06:00:00来源:

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近日,《植物生理学(Plant Physiology)》在线发表了中国农业科学院(深圳)农业LEHU乐虎黄三文团队与蔬菜花卉所杨学勇团队的研究论文,题为“Unraveling prevalence and effects of deleterious mutations in maize elite lines across decades of modern breeding”。该研究综合利用基因组重测序、重组酶/组蛋白免疫共沉淀测序、染色质开放性测序、全基因组甲基化和转录组等数据,绘制黄瓜重组多组学图谱,系统描述减数分裂DNA双链断裂位点(DNA double-strand break, DSB)和重组交换(crossover, CO)的分布规律,揭示影响黄瓜重组形成及杂交群体间重组差异形成的调控因素。



减数分裂重组是丰富遗传多样性和优化基因组的重要驱动力。作物育种的第一步是亲本选择,再通过有性杂交重组整合亲本的优异基因型。然而,连锁累赘的发生,即目标基因和临近染色体片段上的不利基因同步被遗传,限制了优良等位基因的聚合,导致表型与预期结果不一致,阻碍育种进程。此外,不同杂交组合呈现出多样的重组分布。黄瓜(Cucumis sativus)是世界范围内重要的蔬菜作物之一,其减数分裂重组形成机制尚不明确。因此,深入了解黄瓜重组形成和群体特异重组形成的调控因素,对作物育种中亲本选择和诱导定点重组有着重要的理论价值。


研究人员选择半野生的西双版纳类群黄瓜作为母本,分别与栽培类型的东亚类群和欧亚类群黄瓜进行杂交,获得F1单株,然后自交获得F2群体。收集父本自交系的减数分裂花器官,构建多组学数据集,用于解析影响不同黄瓜材料CO形成的多组学因素(图1)。


图1. 试验设计图


研究发现,黄瓜中减数分裂DSB热点和CO主要分布在基因及其侧翼10 Kb范围内,并且CO在DSB热点显著富集。CO的发生,受到同源染色体间结构变异(Structure variant, SV)的显著抑制,同时又与升高的SNP密度相关。全基因组水平和局部的重组率分布,与CsRAD51A信号(利用非减数分裂组织校正)、组蛋白H3K4me3修饰、染色质开放程度正相关,与DNA甲基化水平负相关(图2)。进一步以多组学数据为特征值,基于随机森林的算法,可以有效地预测黄瓜全基因组水平重组率和CO冷点的分布模式。此外,后代群体间差异CO的分布,和父本自交系的特异DSB热点、SV及与表观修饰的互作显著相关。


图2. 黄瓜减数分裂重组多组学Circos图和相关系数矩阵


LEHU乐虎博士后王艳玲和博士研究生董兆年为该论文的共同第一作者,蔬菜花卉所杨学勇研究员和LEHU乐虎、中国热带农业科学院黄三文研究员为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委重大项目和青年基金、国家重点研发项目和中国农业科学院科技创新工程的资助。


文章链接:https://doi.org/10.1093/plphys/kiad432


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