不亲和远缘杂交引起受体水稻基因组表观遗传变异的现象和机制的研究

经典意义上的远缘杂交是指分类上有一定亲缘关系的不同种属物种间的有性基因交流，是物种形成和进化的重要途径，主要通过异源多倍体、附加系或渐渗杂交种的方式实现。然而，对于不成功或者"流产"的远缘杂交，即受体柱头接收来自有性上不亲和物种的花粉后,是否也会对受体细胞的遗传和表观遗传稳定性产生影响，进而诱导产生可遗传的变异尚不清楚。我们前期对水稻与月见草不亲和远缘杂交的研究表明，这种有性上不亲和物种间的"物理接触"可以诱导受体水稻产生遗传和表观遗传变异。本项目拟继续针对这一新颖现象，分别用稗草和玉米的花粉给水稻授粉，系统研究这种远缘杂交突变体的甲基化变异、转座子激活及其传递规律，并从表观遗传学角度揭示上述变异的分子机制，进而探讨表观遗传修饰与表型变异的关系。本研究将对不亲和远缘杂种的形成过程和机制给予表观遗传学解释，研究结果有助于解释育种学家经常发现的这类变异现象，并为其可能在育种中的应用提供理论依据

远缘杂交在植物界中发生的非常频繁，而且能够促进基因组进化，由远缘杂交所产生的杂交种，异源多倍体以及渐渗杂交种与其亲本相比往往会出现大量遗传和表观遗传上的变异。但是我们仍然不知道的是来自性不相容的物种的花粉授粉，即使在没有检测到基因组渐渗的情况下，是否会导致一种“生物胁迫”，从而引起受体基因组表观遗传的不稳定。为了探讨这一问题，本文以来自有性上不相容的两个远缘物种——水稻和稗草、水稻和玉米杂交所产生的一系列在表型上有明显变异的水稻突变体后代（称之为Rb0和Rm0）进行研究，得到以下结论：1）水稻与稗草、水稻与玉米不亲和远缘杂交的受精行为的研究发现稗草花粉可以在水稻柱头上萌发，花粉管可以生长至水稻子房部位，甚至到达珠孔。玉米的花粉粒只能在水稻柱头上萌发和伸长，不能进入水稻柱头羽状组织。2）对Rb0和Rm0进行供体基因渐渗分析，没有找到稗草和玉米基因渗入的证据，但是这种来自远缘物种花粉的授粉却引起了水稻突变体Rm0、Rb0及其S1代以及突变体转座子的激活，其中包括MITE类转座子mPing及其转座酶供体Pong ，LTR类反转座子 Tos17 和 Osr42；以及一些反转座子的甲基化变异，包括Tos17和Osr36。3）亚硫酸盐测序显示，激活型反转座子Tos17和未激活型反转座子Osr36各两个拷贝的5‘-LTR及其侧翼序列均不同程度的发生了去甲基化。推测反转座子转座激活可能与去甲基化发生的位置及反转座子所处的环境有关。4）全基因组范围内DNA甲基化稳定的分析显示稗草花粉“生物胁迫”可导致广泛的表观遗传变异，主要包括基因组DNA甲基化水平的提高和位点特异的模式改变。这些变异不仅能够以较高的频率传递给子代（S1代），而且在子代中又出现了Rb0所没有的新变异，暗示具有“跨代基因组不稳定性”的特点。5）无亲缘关系物种间的相互作用可以导致维持染色质结构和状态的表观修饰基因表达可遗传的改变。. 以上结果很可能暗示着这些与维持染色质结构相关的基因表达的变异是花粉“生物胁迫”所导致的表观遗传不稳定性的一个诱因。. 综上可知，来自远缘物种花粉的授粉可能对受体基因组造成一种胁迫，从而引起表观遗传的不稳定。鉴于这项杂交实验的简单性,因此不难想象，类似的事情可以发生在自然情况下。同时本实验结果为经典遗传学中认为“不亲和远缘杂交”在育种上的应用提供了初步的理论依据。