植物非整倍體研究進展

朱斌 田貴福 賀路英 李再云

摘 要：非整倍體（aneuploid）是指相對于正常個體（euploid）的染色體組增加、減少一條或若干條染色體的生物個體。由于非整倍體個體存在基因劑量效應的不平衡性（gene-dosage imbalance），非整倍體個體往往會表現嚴重的表型缺陷（aneuploid syndrom），如發(fā)育遲緩，個體矮小，難以繁殖后代等。在人類中，最為典型的例子為導致新生兒智力缺陷的唐氏綜合癥，由額外的一個21號染色體拷貝（部分拷貝）引起。此外，大多數癌細胞類型表型為嚴重的非整倍體。在大多情況下，非整倍體對于動物及人類是致命的，而植物對于非整倍體則往往表現出較強的耐受力，特別是在異源多倍體植物中。植物非整倍體對于植物的遺傳、育種研究有重要意義，在基因及分子標記的物理位置確定，基因轉移，連鎖群與染色體的對應關系的確立上具有無可比擬的優(yōu)勢。該文綜述了近些年來有關植物非整倍體研究的結果，介紹了非整倍體的幾種重要成因和有關非整倍體鑒定手段的變遷，闡述了植物非整倍體對個體表型、基因表達以及表觀遺傳方面的影響，重點討論了非整倍體在植物進化、基因組序列測定以及遺傳改良方面的潛在作用。同時，探討了植物非整倍體研究的新思路，以及利用非整倍體促進相關植物遺傳改良、育種研究的新方法。

關鍵詞：非整倍體，劑量效應，高通測序，遺傳改良，基因重組，表觀遺傳

中圖分類號：

文獻標識碼：A

文章編號：1000-3142（2018）10-1404-07

Abstract：The aneuploidy for one species refers to the occurrence of one or more extra or subtractive chromosomes or chromosomal segments in the normal chromosome number in the somatic cells. Because of gene-dosage imbalance，compared to normal organisms，aneuploidy usually gives rise to severe defective phenotypes，such as delayed development and growth，stunted individual architecture，barrier of reproduction due to severe reducedfertility and so on. In human，the most serious aneuploidy syndrome is Downs syndrome with irreversible cognitive impairment，muscle hypotonia，as well as dysmorphic features in newborn，caused by one extra copy of the whole or partialchromosome 21. And the majority of solid tumor cells show different complex level aneuploidy. It is long recognized that plants have better tolerance to the impact of aneuploidy than animals，particularly in allopolyploid plants. As rare but vital germplasm resources，aneuploidy in crops is essential and powerful for these genetic improvements and advanced breeding studies which are focusing on confirmation of the physical location of valuable genes and assistant markers，and transferring of desirable genes from relative species in cultivars. Aneuploidies are also taken as convenient materials to identify the relationship between chromosomes in cytology and corresponding linkage groups in genetic map. In this review，we provided a concise but comprehensive review of recent studies in aneuploidy plant，in which we introduced some important mechanisms responsible for the formation of aneuploidies，the transition of identification methods for some typical aneuploidies，detrimental effects on organisms and cells caused by unbalanced chromosome，and gene expression change and epigenetic alteration of aneuploidy compared to normal organisms. And we particularly discussed some potential values of aneuploidies for the research of genome evolution in plant，and introduced important function of aneuploidy in allopolyploid crops to improve their genome sequencing and genetic improvement. Meanwhile，we sought some novel ideas and methods in the aneuploidy reseach，and also discussed the possibility of some new insights intogenetic improvement and advanced breeding with the aid of aneuploidy in some crops.

Key words：aneuploidy，gene-dosage，high throughput technology，genetic improvement，genetic recombination，epigenetic

相對于整倍體生物（euploid）而言，非整倍體（aneuploid）指的是個體的染色體數目不是成倍的增加或者減少，而是單個或幾個的增添或減少，進而導致個體不平衡的染色體組成。染色體數目增加的個體被稱作超倍體（hyperploidy），染色體數目減少的個體被稱作亞倍體（hypoploidy），常見的亞倍體主要有單體（monosomic），即相對于二倍體個體染色體組（2n）缺少一條染色體的個體（2n-1）;缺體（nullisomic），即缺少一對同源染色體的個體（2n-2）;超倍體有三體（trisomic），即增加一條染色體的個體（2n+1）;四體（tetrasomic），即增加一對同源染色體的個體（2n+2）。相較于超倍體，亞倍體對個體造成更為嚴重的影響，因而不容易獲得。此外，在異源多倍體植物中，出現高頻率的隱性非整倍體（recessive aneuploid），即個體染色體數目與正常個體相同，但一條（對）染色體被其部分同源染色體所替代，保證染色體組水平上的劑量平衡。在人類中，最為典型的例子為導致新生兒智力缺陷的唐氏綜合癥，由額外的一個21號染色體拷貝（部分拷貝）引起。此外，大多數的癌細胞類型表型為嚴重的非整倍體。在動物中，除了部分性染色體的非整倍體類型，其它類型非整倍體都會對個體造成不可逆的影響。相較于動物，植物對非整倍體表現出較高的耐受力，且對于遺傳育種研究者而言，植物非整倍體是不可多得的遺傳及種質資源（Siegel & Amon，2012），多被用來定位基因或標記的物理位置，確定連鎖群及染色體的對應關系，以及轉移有利基因等。

1 非整倍體產生的途徑及鑒定方法

非整倍體的產生途徑主要是細胞有絲或減數分裂過程中染色體異常分離導致的，染色體在有絲分裂時期的異常分離往往導致嵌合型的非整倍體，若發(fā)生在減數分裂時期就有可能產生非整倍體配子，進而造成整個有機體的非整倍性。

有機體細胞分裂過程中，正常的染色體是由紡錘體產生的紡錘絲牽引姐妹染色單體拉向兩極而進行分離的，此過程中，紡錘絲首先要結合到染色體上的紡錘絲組裝位點上（spindle-assembly checkpoint，SAC）（Musacchio & Salmon，2007），如果細胞此時挾帶了不正常的SAC或者SAC的靶標后期促進復合物（APC/C-Cdc20）超表達，染色體分離就會出現異常，進而產生非整倍性的細胞（配子）;姐妹染色單體聚合蛋白（cohesion）的缺陷以及分離酶的超活性也會造成染色體的異常分離從而產生非整倍體細胞（Musacchio & Salmon，2007; Ganem et al，2009）;著絲粒微管的畸變也能導致非整體，而且是主要來源;染色體異常分離，多極紡錘體等均能產生非整倍體細胞（配子）（Siegel & Amon 2012; Ganem et al，2009）。對于植物而言，由于存在倍性的變異，不同倍性間雜交或回交可產生大量的非整倍體個體，甚至是全套的單/缺體（Sears，1954; Chen et al，2007; Zhu et al，2015）。此外，植物進行遠緣雜交的過程中由于存在外源基因組的（genomic shock）沖擊效果，也能形成一些非預期的非整倍體，這種現象在異源四倍體油菜與近緣種的雜交中比較普遍（Hua & Li，2006; Tu et al，2010; Zhu et al，2016; 朱斌等，2017）。

植物非整倍體在遺傳、育種方面的應用往往受限于其類型的鑒別?；趥€體染色體組的核型分析是最為常見的鑒定方法。通常來說某一物種的染色體核型是穩(wěn)定的，不同的染色體在長度、臂比、異染色質區(qū)，以及隨體有無方面存在差異，因此根據這些特征可將染色體區(qū)別開來，進而確定個體非整倍體類型（Young et al，2012）。在此基礎上已陸續(xù)發(fā)展出C帶法、G帶法、基于染色體特異探針的熒光原位雜交技術（FISH）來進行個體核型分析（Duan et al，2015; Jiang et al，2016; Zhang et al，2017）。由于FISH具有較強的可靠性和直觀性，可鑒別較小的染色體變異等優(yōu)點，因而被廣泛應用到動植物的核型分析及植物非整倍體鑒別中（Mestiri et al，2010; Xiong et al，2011; Zhang et al，2013; Zhu et al，2016）。流式細胞術也是近年來常用的檢測非整倍體類型的手段（Pavlíková z et al，2017），但往往對于基因組較大的物種有效。此外，基于染色體序列開發(fā)的特異性分子標記由于具有通量高、易操作等優(yōu)點，也成為鑒定非整倍體的有效手段（Kang et al，2014; Chen et al，2014; Zhu et al，2016），但這些標記往往都是顯性標記，不能有效鑒別出染色體的拷貝數，通常需要輔助普通細胞學的手段（Zhu et al，2016）。隨著高通量技術的發(fā)展，基于信使RNA（mRNA）測序技術日趨成熟，由于多數基因的表達與其拷貝數存在線性關系，因此基于全基因組RNA測序技術可以準確確定某一個體的染色體組，因而該方法被陸續(xù)應用到非整倍體個體的鑒定中（Letourneau et al，2014; Zhu et al，2015; Zhang et al，2017）。

2 非整倍性對有機體的影響

基于二倍體生物的非整倍體個體研究表明，非整倍體往往在早期發(fā)育過程就會死亡，即使存活下來的個體通常也表現持續(xù)的發(fā)育缺陷。20世紀初，Boveri在以兩個海膽（Sea urchin）精細胞與一個卵細胞受精發(fā)育的幼胚中觀察到了這種致死或發(fā)育缺陷現象（Zhu et al，2015）。Torres et al（2007）對包含一整套釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）基因組的附加一條或一對及更多染色體的材料進行生理生化、基因表達及蛋白水平的系統分析，結果證實了這些非整倍體系存在細胞增殖缺陷。對于玉米（Zea mays）、水稻（Oryza sativa）、油菜（Brassica napus）及擬南芥（Arabidopsis thaliana）的非整倍體研究也證實了植物非整倍體同樣存在這種生長缺陷（McClintock，1929; Singh et al，1996; Henry et al，2010;Chen et al，2007）。而相對于動物而言，植物對于非整倍體的影響要有更好的適應性，這可能是由于同源基因或部分同源基因的劑量補償導致的（Siegel & Amon，2012）。

非整倍體性不僅影響個體的基因表達，同樣造成了個體表觀遺傳的變化，且這種變化是持久的、可遺傳的（Letourneau et al，2014; Henry et al，2010; Gao et al，2016）。Henry et al（2010）在擬南芥非整倍體自交后代中檢測到染色體組正常的個體，其同樣也表現非整倍體母本的一些性狀，說明這些持久的影響可能來自表觀遺傳的變化，隨后這一假說在小麥非整倍體涉及全基因組甲基化的表觀遺傳研究中加以證實（Gao et al，2016）。

3 基于非整倍體的基因平衡假說

早在20世紀30年代，研究者就發(fā)現曼陀羅（Datura stramonium）的三體植株顯現比三倍體（triploid）植株更為嚴重的表型缺陷，隨后對于玉米的倍性變化及非整倍體個體材料的系統研究證實了這一結果（Guo et al，1996）?；谶@些結果，Birchler et al（2001）提出了基因組平衡假說（gene/genome balance hypothesis），他認為在非整倍體個體中，一套或部分染色體編碼的對于劑量敏感的基因產物，其嚴格的化學計量平衡被打破，從而導致了嚴重的表型及基因表達變化（圖1，引自Birchler et al，2007）。隨后，基因平衡假說在擬南芥、玉米、果蠅（Drosophila melanogaster）、甘藍型油菜、以及普通小麥（Triticum aestivum）非整倍體個體涉及部分或者全基因基因表達的相關研究中被逐漸證實（Huettel et al，2008; Guo et al，1996; Malone et al，2012; Makarevitch & Harris，2010; Zhang et al，2013; Zhu et al，2015; Zhang et al，2017）。

4 植物非整倍體在遺傳研究中的作用

4.1 利用植物非整倍體定位相關基因

在植物及低等動物中，非整倍體對發(fā)育的影響相對較小，且植物存在基因表達的劑量補償機制，因此很多非整倍體類型得以存活下來，這為相關植物的遺傳分析及改良研究提供了難得的材料。植物非整倍體可以方便基因及分子標記的物理定位，有利于目標基因的轉移，確定連鎖群與染色體的對應關系等（軒淑欣等，2002）。小麥次級代謝產物異羥肟酸能有效防御真菌病害的侵襲，Niemeyer & Jerez（1997）通過測定小麥的一系列單體及代換系，將異羥肟酸合成基因定位到小麥4A和4B染色體上。蘭登硬粒小麥（langdon durum）攜帶有優(yōu)異的抗葉銹病基因，Hussein et al（2005）通過對四倍體硬粒小麥（Triticum turgidum，AABB）D染色體組代換系抗葉銹病的研究，將硬粒小麥抗葉銹病基因定位到了6B和4A染色體上。對于擬南芥多個非整倍體個體的研究（Henry et al，2010）證實不同染色體對于表型的相應貢獻，而對甘藍型油菜缺失一對C2染色體的非整倍體材料的基因表達分析，確定了C2染色體攜帶有控制開花的主效QTLs（Zhu et al，2015）。Geleta et al（2012）通過對全套的白菜-甘藍單體附加系進行PCR擴增分析，將64對特異SSR引物錨定到不同的C染色體上，這些特異引物極大的方便甘藍及甘藍型油菜的遺傳圖譜構建。需要指出的是，在異源多倍體植物中，由于部分同源染色體的補償機制，一些不常見的單體（monosomics）、缺體（disomics）被完整的建立起來，例如在異源六倍體小麥所發(fā)現的一整套單體及缺體（Sears，1954）材料，對于這些材料的遺傳學研究使得我們更為清楚地了解了小麥的基因組結構，部分同源染色體的相互關系。最近，基于一套小麥的單體材料，采用chromosome-base的測序方法成功組裝了六倍體小麥高達17 G的基因組信息（international wheat genome sequencing consortium，IWGSC，2014）。

4.2 植物非整倍體參與異源多倍體植物的進化史

多倍化（polyploidization）過程被認為是植物進化歷程中的一個主要驅動力。據研究，約80%的開花植物經歷過或正在經歷至少一次的多倍化過程（Van de Peer et al，2009）。其中經不同物種雜交及后續(xù)基因組加倍形成的異源多倍體拓寬了物種間的遺傳基礎，創(chuàng)造了更為豐富的遺傳多樣性，在生長勢、產量、適應性等方面遠遠超過了二倍體親本（Chen，2010）。近幾年，研究者多以人工合成的或者自然界剛形成的異源多倍體植物模擬、演化植物異源多倍體的進化歷程，值得注意的是，在人工合成或自然界剛形成的異源多倍體后代中普遍存在非整倍體或隱形非整倍體個體（Mestiri et al，2010; Xiong et al，2011; Zhang et al，2013; Pavlíková et al，2017），而且在人工合成的異源四倍體甘藍型油菜（AACC），六倍體小麥（AABBDD）的高世代后代中非整倍體個體依然有較高的比例（Mestiri et al，2010; Xiong et al，2011; Zhang et al，2013）。其中，對來自16個系的1 000余株人工合成的六倍體小麥核型的研究發(fā)現（Zhang et al，2013），非整倍體植株覆蓋了每個株系20%～100%的植株，同時還證實了B基因組染色體最容易丟失或增加，A基因組染色體次之，而新加入的C基因組染色體最為穩(wěn)定。婆羅門參屬Tragopogon miscellus是自然界最近形成的一種異源多倍體植物，起源于北美洲，由20世紀早期從歐洲引入的二倍體植物Tragopogon dubius 和 Tragopogon pratensis（2n=12）經自然雜交、染色體組加倍形成，大約僅有80 a的進化歷史（約40代）。Chester et al（2012）以基因組分析以及原位雜交的技術手段對該物種的不同群體進行核型分析，發(fā)現沒有任何一個群體有固定的核型組成，69%的植株表現一條或者多條染色體的非整倍性，其中高達85%的植株是隱性非整倍體（hidden aneuploid），即擁有整倍體個體的染色體數目，但染色體組成往往存在易位、部分同源補償等。廣泛的部分同源補償在人工合成的甘藍型油菜、六倍體小麥中也被證實，可能預示著基因劑量效應是非整倍體選擇性保留的主要約束機制（Xiong et al，2011; Zhang et al，2013）。

這些結果無疑說明非整倍體過程在異源多倍體起源、進化歷程中是持久的、廣泛的。這一過程對于異源多倍體的進化可能是必須的，這將有助于新物種快速地產生大量的遺傳變異，從而適應環(huán)境。部分同源染色體間的補償機制也將有助于異源多倍體快速進行二倍體化。這種在新合成的異源多倍體植物中廣泛存在的非整倍體，目前尚無系統的解釋，猜測可能是由于親本間遺傳物質的不平衡造成的，如著絲粒組蛋白間的差異等。

4.3 植物非整倍體誘導染色體重組

變異和重組被認為是產生遺傳多樣性的兩個基本來源，而重組又是有性生殖個體產生遺傳多樣性的主要機制，其頻率遠高于基因突變。近些年的研究發(fā)現，非整倍性可以大幅提高個體的重組頻率。Nicolas et al（2009）發(fā)現甘藍型油菜與白菜雜交形成的倍半二倍體（AAC）其同源重組的頻率要遠高于四倍體甘藍型油菜，證明額外的C基因組會影響A基因組的重組，Suay et al（2014）以倍半二倍體雜種與白菜再次雜交，獲得一系列的附加不同數目的C染色體非整倍體植株，對這些非整倍體植株的遺傳分析發(fā)現不同的C組染色體及單拷貝染色體的數目對誘導同源重組的頻率有差異。甘藍型油菜與其近緣種的遠緣雜交往往會形成僅包含甘藍型油菜染色體組的非整倍體植株，Zhang et al（2013）對甘藍型油菜與諸葛菜、薺菜雜交后，經多代回交得到的染色體數目為38的新分離甘藍型油菜進行分子標記分析時發(fā)現，與原始親本相比分離得到的甘藍型油菜在基因組、表觀水平有很大差異。這些研究證實了非整倍性個體可以誘導本身基因組產生高頻率的重組，這有利于產生遺傳多樣性，可為育種提供材料基礎，但這是否是非整倍體的共性特征，還需要在其他的物種的非整倍體個體中加以驗證。

5 展望

隨著高通量技術的發(fā)展，以基因組、轉錄組、蛋白質組、Chip-seq等組學的研究手段有望對植物非整倍體個體進行系統的闡釋，深入了解非整倍體細胞及個體的成因，揭示其影響表型、基因表達、表觀遺傳的機理。近十年來，通過對非整倍體全基因組基因表達研究證實非整倍體基因異常表達不僅存在于缺失或增加的染色體上（順式作用），而且廣泛分布于拷貝數未改變的染色體上（反式作用），這一現象被認為與非整倍體的表型變化密切相關（Huettel et al，2008; Letourneau et al，2014; Zhu et al，2015）。此外，一些異源多倍體的非整倍體大大降低了植物基因組的結構復雜性，利用高通量技術，可以揭示一些復雜異源多倍體的基因組信息以及基因互作模式（IWGSC，2014; Zhu et al，2016）。同時，對于非整倍體的深入研究將有助于揭示基因間的互作關系。此外，人類的一些遺傳疾病被證實與非整倍體相關（例如唐氏綜合癥），近些年的研究也證實大多數的癌變細胞與非整倍體存在因果關系，對植物非整倍體遺傳機理的揭示有望為人類最終治愈非整倍體疾病提供可行的思路。