植物CMS與線(xiàn)粒體基因的亞化學(xué)計(jì)量位移

王姍 胡駿

摘 要 細(xì)胞質(zhì)雄性不育（Cytoplasmic Male Sterility，CMS）是在經(jīng)典遺傳學(xué)時(shí)代即被發(fā)現(xiàn)的尤為普遍的生物學(xué)現(xiàn)象，其主要表現(xiàn)為雄配子異常，花粉敗育，但是雌配子可以正常發(fā)育。細(xì)胞質(zhì)雄性不育不僅為植物生殖發(fā)育、核質(zhì)互作、線(xiàn)粒體基因組等方面提供了基礎(chǔ)生物科學(xué)研究系統(tǒng)，也在農(nóng)作物雜種優(yōu)勢(shì)利用方面展現(xiàn)出了重大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。大量研究表明，多數(shù)CMS基因是線(xiàn)粒體嵌合基因，而線(xiàn)粒體DNA分子不僅在結(jié)構(gòu)上有頻繁改變的傾向，而且時(shí)有亞化學(xué)計(jì)量位移事件發(fā)生?；诖?，將主要圍繞植物CMS與線(xiàn)粒體基因亞化學(xué)計(jì)量位移的關(guān)系進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，以期在基因組水平上提供一些見(jiàn)解。

關(guān)鍵詞 細(xì)胞質(zhì)雄性不育;基因組水平;線(xiàn)粒體基因;亞化學(xué)計(jì)量位移

中圖分類(lèi)號(hào)：Q37 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2021.11.003

1 植物CMS簡(jiǎn)介

植物無(wú)法產(chǎn)生正常功能的雄配子而雌配子發(fā)育正常，此種現(xiàn)象在經(jīng)典遺傳學(xué)時(shí)代即被多次提及，當(dāng)前研究中一般將其稱(chēng)之為雄性不育，當(dāng)這種雄性不育采用胞質(zhì)遺傳（母系遺傳）方式時(shí)即為細(xì)胞質(zhì)雄性不育（Cytoplasmic Male Sterility， CMS）。細(xì)胞質(zhì)雄性不育是由于核基因和線(xiàn)粒體基因之間的互作影響了植物花藥的絨氈層和正在進(jìn)行減數(shù)分裂的細(xì)胞，從而導(dǎo)致植物體花粉敗育，且此種雄性不育以胞質(zhì)遺傳。據(jù)統(tǒng)計(jì)，通過(guò)自發(fā)突變或者人工突變而產(chǎn)生細(xì)胞質(zhì)雄性不育現(xiàn)象的植物已經(jīng)超過(guò)150種[1-2]。細(xì)胞質(zhì)雄性不育不僅為植物生殖發(fā)育、核質(zhì)互作、線(xiàn)粒體基因組等方面提供了基礎(chǔ)生物科學(xué)研究系統(tǒng)，也在農(nóng)作物雜種優(yōu)勢(shì)利用方面展現(xiàn)出了重大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。自20世紀(jì)20年代獲取首批商業(yè)化的雜交種子以來(lái)，已經(jīng)在水稻、大麥和油菜等農(nóng)作物中建立了雜交育種系統(tǒng)，其在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中對(duì)于提高農(nóng)作物產(chǎn)量的意義不容小覷，小麥、大麥、水稻、油菜和菜豆的產(chǎn)量分別提高了3.5%～15%、11%、55%、200%和47%[2-3]。

雄性不育現(xiàn)象無(wú)論是在經(jīng)典遺傳學(xué)方面還是現(xiàn)代分子生物學(xué)水平上，一直以來(lái)都是科學(xué)家們研究的熱點(diǎn)，而CMS作為雄性不育的類(lèi)型之一，其在雜交育種上的優(yōu)良表現(xiàn)促使人們不斷挖掘和鑒定更多CMS基因及其分子機(jī)理并加以利用。在眾多不同的農(nóng)作物中，解析不育基因功能將成為雜交育種這一目標(biāo)達(dá)成的首要內(nèi)容。盡管研究人員已經(jīng)在確定大量CMS基因及其恢復(fù)機(jī)制模型等領(lǐng)域取得了一定成效，但在植物雄性育性的復(fù)雜性和多樣性方面，仍然留有較多問(wèn)題亟待闡明。值得注意的是，基于大量研究分析和試驗(yàn)事實(shí)，多數(shù)CMS基因是線(xiàn)粒體基因組重排的結(jié)果，且部分CMS基因可以編碼跨膜蛋白，有較多重要的線(xiàn)粒體基因參與了CMS基因的形成過(guò)程[4]。

2 植物線(xiàn)粒體基因組

對(duì)于真核生物而言，線(xiàn)粒體是非常重要的細(xì)胞器。盡管有關(guān)線(xiàn)粒體起源的問(wèn)題仍然存在爭(zhēng)議，但目前內(nèi)共生理論相較于其他假說(shuō)理論似乎得到了較為廣泛的認(rèn)可，該理論傾向于支持線(xiàn)粒體的α-變形菌起源假說(shuō)[5]。Fan等開(kāi)創(chuàng)性地運(yùn)用了系統(tǒng)性物種替換和交叉驗(yàn)證的策略，再一次驗(yàn)證了線(xiàn)粒體的α-變形菌起源說(shuō)，同時(shí)第一次對(duì)α-變形菌的4個(gè)進(jìn)化主類(lèi)群進(jìn)行了定義，其認(rèn)為線(xiàn)粒體有著起源于α-變形菌Ⅱb分支的較大可能[6]。

大部分被子植物的細(xì)胞質(zhì)基因組都是母系遺傳。由于線(xiàn)粒體缺乏用來(lái)檢查復(fù)制錯(cuò)誤的能力，因此線(xiàn)粒體DNA（mtDNA）的變異速率比細(xì)胞核DNA（一般所指的DNA）更快。線(xiàn)粒體的突變速率快，使mtDNA能夠用來(lái)較為精確地追溯出母系祖先，并作為種屬分類(lèi)依據(jù)。

含有大量不同大小和數(shù)目的重復(fù)序列是植物線(xiàn)粒體基因組十分重要的特征。研究人員通常將這些重復(fù)序列劃分為大重復(fù)片段（大于500 bp，可能參與頻繁的同源重組）、中等重復(fù)片段（大小介于50～500 bp，參與不頻繁的異位重組）以及小重復(fù)片段（小于50 bp，可能促進(jìn)非常規(guī)的微同源介導(dǎo)的重組）。通常認(rèn)為植物線(xiàn)粒體基因組的進(jìn)化速度較葉綠體基因組、核基因組低，且同一基因組內(nèi)基因之間的進(jìn)化速率較為一致，但植物的線(xiàn)粒體基因突變速率低于葉綠體基因，研究植物DNA條形碼更多使用的是葉綠體基因組。部分研究報(bào)道提示，有關(guān)植物線(xiàn)粒體基因組組織結(jié)構(gòu)形式方面的爭(zhēng)議仍然存在，目前已經(jīng)普遍達(dá)成共識(shí)的是其與一些噬菌體基因組的結(jié)構(gòu)類(lèi)似的環(huán)形表示方式很有可能是人為虛構(gòu)的。同時(shí)，植物線(xiàn)粒體基因組替代速率具有多樣性特點(diǎn)，對(duì)線(xiàn)粒體基因組內(nèi)同義替代速率異質(zhì)性產(chǎn)生的機(jī)制進(jìn)行的有關(guān)研究為其復(fù)雜性演化理論提供了支持。研究者認(rèn)為，植物營(yíng)養(yǎng)組織中的線(xiàn)粒體基因組主要由分支分子、線(xiàn)性串聯(lián)體和環(huán)形可置換線(xiàn)性分子的混合物構(gòu)成[7]。

3 植物CMS與線(xiàn)粒體基因的亞化學(xué)計(jì)量

位移

植物線(xiàn)粒體基因組中存在重排DNA分子化學(xué)計(jì)量的急劇變化，導(dǎo)致線(xiàn)粒體DNA構(gòu)型濃度相對(duì)于主導(dǎo)構(gòu)型濃度有顯著變化的現(xiàn)象稱(chēng)為亞化學(xué)計(jì)量位移。目前，已經(jīng)在部分植物中對(duì)此種現(xiàn)象進(jìn)行了探討，包括玉米、煙草、菜豆、甘藍(lán)型油菜等，在水稻中偶有提及[8]。

具有細(xì)胞質(zhì)雄性不育特性的玉米是雜種優(yōu)勢(shì)利用的重要種質(zhì)資源，是研究核質(zhì)互作的理想材料，具有重要的應(yīng)用價(jià)值，且玉米CMS-C具有抗玉米小斑病T小種和育性相對(duì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。研究人員在比較玉米的雄性不育和可育細(xì)胞質(zhì)中保守基因atpA的結(jié)構(gòu)和拷貝數(shù)時(shí)，對(duì)亞化學(xué)計(jì)量位移這種現(xiàn)象進(jìn)行了描述。研究發(fā)現(xiàn)，占據(jù)主導(dǎo)地位的atpA類(lèi)型取決于所研究品系的細(xì)胞質(zhì)，甚至在N、T、C或S的分類(lèi)內(nèi)部也有所不同。此外，對(duì)許多不同細(xì)胞核或者細(xì)胞質(zhì)組合形式的調(diào)查研究表明，細(xì)胞核基因型似乎并不影響哪種atpA類(lèi)型在任何細(xì)胞質(zhì)中均占主導(dǎo)地位。另外，研究結(jié)果還顯示，大多數(shù)（但不是全部）的N和S細(xì)胞質(zhì)包含兩種主要的atpA類(lèi)型，在那些僅包含一種主要的atpA類(lèi)型的N和S細(xì)胞質(zhì)中，另一種含量水平很低但總是可以檢測(cè)到的預(yù)期類(lèi)型似乎存在?；诤罄m(xù)試驗(yàn)，進(jìn)一步推測(cè)這些亞化學(xué)計(jì)量分子有著起源于由線(xiàn)粒體基因組同源區(qū)域之間比較罕見(jiàn)的重組事件的可能[9]。

類(lèi)似地，在研究菜豆自發(fā)逆轉(zhuǎn)育性事件時(shí)，采用PCR擴(kuò)增的方法，使用位于atpA基因3'端（位于pvs的5'端）和pvs-orf239 3'端的序列作為引物來(lái)擴(kuò)增pvs構(gòu)型獨(dú)特的4 437 bp的片段。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，來(lái)自育性回復(fù)系WPR-3的PCR擴(kuò)增片段在溴化乙錠染色后的凝膠電泳中幾乎是不可見(jiàn)的，但在隨后的DNA印跡雜交試驗(yàn)Southern blotting中又可以證實(shí)該片段的確存在。上述結(jié)果表明，pvs序列在逆轉(zhuǎn)后不會(huì)從CMS系的線(xiàn)粒體基因組中丟失，而是以亞化學(xué)計(jì)量形式存在。同時(shí)，試驗(yàn)中向細(xì)胞器孵育試驗(yàn)的反應(yīng)體系中分別添加線(xiàn)粒體DNA復(fù)制抑制劑和細(xì)胞核DNA復(fù)制抑制劑時(shí)，獲取到的試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了上述過(guò)程是從頭開(kāi)始的線(xiàn)粒體DNA合成，還發(fā)現(xiàn)一旦DNA拷貝數(shù)增加，pvs-orf239序列在回復(fù)體中就具有轉(zhuǎn)錄活性，而考慮到從回復(fù)體的整個(gè)植物組織純化得到的線(xiàn)粒體中均沒(méi)有檢測(cè)到pvs-orf239轉(zhuǎn)錄本，足見(jiàn)這一發(fā)現(xiàn)十分關(guān)鍵[10]，說(shuō)明其中pvs-orf239的亞化學(xué)計(jì)量形式的拷貝數(shù)足夠低，以使其有效沉默。但是基于這些試驗(yàn)尚且無(wú)法得出pvs-orf239序列在回復(fù)子中是完全沉默的結(jié)論，因?yàn)橐灿锌赡苻D(zhuǎn)錄本是以低于檢測(cè)水平的形式存在。在線(xiàn)粒體孵育后的細(xì)胞器翻譯試驗(yàn)中，也證明了孵育后ORF239蛋白的積累。在WPR-3系中檢測(cè)到較低但其含量清晰可見(jiàn)的水平，該結(jié)果表明，即使在孵育前和在從整個(gè)植物組織制備的線(xiàn)粒體中都檢測(cè)不到pvs-orf239序列的表達(dá)，也可以在pvs-orf239序列擴(kuò)增后檢測(cè)到pvs-orf239序列的表達(dá)[11]。綜上所述，這些結(jié)果傾向于支持這樣的假設(shè)，即線(xiàn)粒體基因組位移是一種可逆的事件，某分子維持在低于化學(xué)計(jì)量水平（即亞化學(xué)計(jì)量水平）時(shí)，其表達(dá)可能處于受抑制的狀態(tài)，但是一旦擴(kuò)增到閾值以上的水平，其轉(zhuǎn)錄和翻譯能力就會(huì)逐步顯現(xiàn)甚至開(kāi)始增強(qiáng)[12]。

4 總結(jié)與展望

在許多物種的細(xì)胞質(zhì)雄性不育植株中，都有自發(fā)的恢復(fù)生育的記錄，其頻率受核遺傳背景的影響。被子植物線(xiàn)粒體基因組在大小、結(jié)構(gòu)、基因及內(nèi)含子數(shù)量等方面均具有多樣性，這一特征使得線(xiàn)粒體基因組成為研究基因組復(fù)雜性的理想系統(tǒng)。盡管大量CMS基因已經(jīng)得以鑒定，但在植物雄性育性的復(fù)雜性和多樣性方面，仍然留有較多問(wèn)題亟待闡明。植物細(xì)胞的線(xiàn)粒體基因組的大小差別很大，最小的為100 kb左右，大部分由非編碼的DNA序列組成，且有許多短的同源序列，同源序列之間的DNA重組會(huì)產(chǎn)生較小的亞基因組環(huán)狀DNA，與完整的“主”基因組共存于細(xì)胞內(nèi)，因此植物線(xiàn)粒體基因組的研究更為困難。同時(shí)，多數(shù)CMS基因是線(xiàn)粒體嵌合基因的試驗(yàn)事實(shí)表明，有必要從線(xiàn)粒體基因組水平對(duì)相關(guān)問(wèn)題加以探討。有研究報(bào)道證明，亞化學(xué)計(jì)量位移事件的發(fā)生是由于特定中等重復(fù)片段的重組活性發(fā)生了變化，這種重組通常是采取不對(duì)稱(chēng)的形式進(jìn)行，盡管不對(duì)稱(chēng)重組已得到充分證實(shí)，但尚不清楚其是否包含構(gòu)成亞化學(xué)計(jì)量位移事件基礎(chǔ)的唯一機(jī)制，相關(guān)科學(xué)問(wèn)題的透徹解析仍需更多研究加以闡明。

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（責(zé)任編輯：劉 昀）