生科院田大成/楊四海研究團(tuán)隊(duì)在脈孢菌有性生殖突變研究中取得進(jìn)展
我校生命科學(xué)學(xué)院田大成/楊四海團(tuán)隊(duì)在突變研究中取得進(jìn)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在國際期刊Genome Biology在線發(fā)表。我校楊四海教授及Bath大學(xué)的Laurence教授是該論文的通訊作者，王龍副教授及博士生孫瑩瑩和孫曉光是該論文的共同第一作者。
性的起源與演化從達(dá)爾文時(shí)代就引起人們廣泛的關(guān)注。有性繁殖方式的資源消耗遠(yuǎn)高于無性繁殖，但真核生物卻偏好性的選擇有性生殖作為其主要的繁殖方式，其演化的優(yōu)勢究竟在何處，一直以來是進(jìn)化研究領(lǐng)域最重要科學(xué)問題之一。經(jīng)典假說從降低有害突變率的角度對此進(jìn)行了解釋，認(rèn)為有性生殖通過同源染色體的重組，能夠有效的避免有害突變在種群內(nèi)的積累。該理論假設(shè)，采取有性生殖方式的物種其基因組每個(gè)世代產(chǎn)生的有害突變數(shù)量不低于1，有性生殖對于清除有害突變的貢獻(xiàn)將高于其自身的資源投入，從而被選擇所青睞，這是長期進(jìn)化選擇的一個(gè)結(jié)果。但該假說很難直接證明。另外一種長期被忽略的證明思路是，考慮該假說是否存在反例——例如能否找到某個(gè)物種，其有性生殖恰恰是導(dǎo)致高突變產(chǎn)生的原因？通過系統(tǒng)性的分析與研究，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)粗糙脈孢菌（Neurospora crassa）正是具有這一特殊現(xiàn)象的物種，其對前述假說提出了挑戰(zhàn)。
脈孢菌物種兼具無性生殖及有性生殖兩種繁殖方式，在其有性生殖過程中，存在特殊的重復(fù)序列誘導(dǎo)的點(diǎn)突變（Repeat Induced Point mutation，簡稱RIP）現(xiàn)象，能夠特異性識別并突變基因組中的重復(fù)序列。該現(xiàn)象雖然早已發(fā)現(xiàn)，但相關(guān)研究僅局限于外源引入的特定片段，至今尚未明確該現(xiàn)象在脈孢菌全基因組中扮演的角色。通過系統(tǒng)的構(gòu)建有性雜交組合（圖1a）并進(jìn)行基因組測序，研究人員首次對脈孢菌全基因組中的突變進(jìn)行了精確檢測，并與無性過程以及RIP缺陷菌株的有性過程進(jìn)行了比較（圖1b）。研究人員發(fā)現(xiàn)：（1）在有性生殖過程中，脈孢菌基因組確實(shí)存在典型的RIP現(xiàn)象，即在重復(fù)區(qū)域有明顯的成簇的C->T(或G->A)方向的突變，并且發(fā)生在單鏈上；（2）然而實(shí)際上只有少部分重復(fù)序列存在RIP現(xiàn)象，大部分重復(fù)序列并未檢測到成簇突變的產(chǎn)生；（3）更為意外的是，在非重復(fù)序列（例如很多基因序列）當(dāng)中也檢測到了突變率的明顯提升，并且這些突變很多并不具有明顯的RIP特征，表明與RIP可能不存在直接的關(guān)聯(lián)。這些結(jié)果表明，脈孢菌基因組中編碼區(qū)域每代的突變數(shù)量達(dá)到了5，遠(yuǎn)高于人類或其他物種當(dāng)中的觀測值（圖2），這一例外對很多性演化經(jīng)典學(xué)說的前提假設(shè)提出了挑戰(zhàn)，啟示我們，可能有更多因素在繁殖方式的選擇中起到了重要的作用。
圖1.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與材料方案。(a)脈孢菌有性及無性周期示意圖及取樣策略；(b)選取的菌株遺傳背景關(guān)系圖。
這一研究不僅為性演化相關(guān)假說的定量檢驗(yàn)提供了線索，而且強(qiáng)調(diào)了基因組層面的突變研究對于了解物種演化規(guī)律的重要性，為了解基因組演化動(dòng)力和突變分子機(jī)制打下了基礎(chǔ)。
圖2.脈孢菌有性生殖周期突變率的特殊性。目前為止對突變率的研究表明:(a)全基因組突變率與基因組大小在真細(xì)菌中呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)、而在真核生物中呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系；(b)編碼區(qū)域的突變率與基因組大小在絕大多數(shù)物種中呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。在這幾種關(guān)系中，脈孢菌有性周期的突變率(圖中S所示)均顯著偏離一般規(guī)律。
該研究得到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No. 31671322, No. 31970236, No. 31870205, 和No. 31601041）的支持。該研究的順利實(shí)施，也得到南京大學(xué)仙林校區(qū)作物分子遺傳實(shí)驗(yàn)站的支持。
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