多年生植物减数分裂突变与重组的研究

Meiosis is an important process to regulate genetic variation between generations. The mutation and recombination of crossing-over generated in this process is the most important inner force for genome variation. However, the variation in rates of recombination or mutation remain poorly understood, particularly in perennial plants. Here, two perennial plant materials, the woody peach and the herbaceous strawberry, are chosen by special genetic design for re-sequencing to directly estimate their mutation and recombination rate. Then, we can test the various hypotheses causing the phenomenon that the perennial plants should have a slower evolutionary rate per unit time than annual plants, such as the generation time, the accuracy of replicative polymerases, the effect of selection pressure and so on. Furthermore, using the materials with different pre-existing diversity, we can further test the universality of the hypothesis “the heterozygosity of the genome promotes mutation and recombination”. We think that this project will not only reveal the law and impact on genome change of inner drive variation but also help to understand the inner base of adaptation and evolution.

减数分裂是有性生殖物种世代交替的转折点, 而减数分裂过程产生与积累的突变、重组等遗传变异是生物多样性的重要源泉及物种演化内在的驱动要素。对于多年生植物，还没有直接测定其单次减数分裂突变与重组的报道。本研究拟以多年生木本桃树及多年生草本草莓为研究对象，通过亲代-自交子代的遗传设计，直接检测多年生植物一次减数分裂产生与积累的突变与重组的数量，从而直接检验存在广泛争议导致多年生植物的演化速度显著性的低于一年生植物的各种假说，如世代周期时间长短影响假说、复制保真酶精度影响假说、选择压影响假说等；其次，利用不同差异度组合的材料，进一步验证“基因组中的遗传异质性促进突变与重组”的普适性。本研究拟揭示植物内在驱动要素变化的规律性、了解它们对基因组变异的作用、并深入理解生物适应与演化的内在分子基础。

突变和重组是生物体基因组遗传多样性的主要来源。目前对多种生物的突变或重组都有了相关的报道研究。但对于多年生植物，相关的研究仅限于基因组的某些特定区段，或依赖于有限的分子标记位点，没有直接测定全基因组范围内的一次减数分裂的突变率和重组率。本项目采用二代测序的方法，对多年生木本桃树的亲本-后代群体的一次减数分裂的突变率和重组率进行了精确评估，并与一年生模式植物拟南芥进行比较，探究影响植物体突变和重组的主要因素。本项目构建了3组杂合度不同的桃树种内和种间组合，并对每一组F1杂交个体及其F2自交后代个体进行二代测序。通过分析，我们从3组共63个F2自交后代中检测到240个点突变和46个短片段的插入缺失突变。杂合度最高的种间杂交组合III的突变率大约是杂合度较低的种内杂交组合I突变率的1.8倍。而不同组之间突变的特征，点突变与插入缺失突变的比例却并无明显差异。其次，我们发现在一个世代周期内，桃树种内杂交组合一次减数分裂的突变率与一年生植物拟南芥相差无几。这与桃树的世代时长约为拟南芥世代时长的10~20倍形成鲜明对比，表明单位时间内的桃树的突变率比拟南芥慢了约1个数量级，从而直接验证了世代周期对于物种进化速率的贡献。我们在种内组合I的24个F2样品中共检测到286个交叉互换，相当于每次减数分裂每个样本平均发生11.92次交叉互换（重组率为2.64cM/Mbp），低于拟南芥的重组率（4.0cM/Mbp），该结果验证了桃树与其他多年生木本植物相对于一年生植物的低重组率。本项目第一次在全基因组尺度上直接评估了多年生木本桃树一次减数分裂的突变率与重组率，填补了多年生木本植物突变率与重组率精确评估的空白。通过与拟南芥的突变率与重组率进行比较，系统性检验了突变、重组与世代周期长短的关系，并进一步验证了杂交方式或者杂合度对突变率的影响，为物种演化研究提供了新的材料，也为突变与重组机制的深入发掘奠定了基础。