通過擬南芥揭示高溫下植物基因突變的原理

　　團隊以擬南芥為對象研究多代高溫下植物基因突變的原理（揚州大學供圖）

　　近日，揚州大學園植學院教授校金飚和農學院徐辰武在《基因組生物學》期刊在線發表題為“多代高溫脅迫下擬南芥全基因組DNA突變研究”的最新研究成果。該研究首次從種群遺傳譜系和單粒種子遺傳譜系兩個層面揭示了長期多代高溫下植物的DNA突變速率和突變譜規律，為闡明長期環境脅迫下植物分子進化機制提供了重要的理論依據，同時為探索植物對未來氣候變暖的長期響應和適應趨勢提供了前瞻性預測。

　　氣候變暖已成為全球關注的熱點問題之一，高溫脅迫嚴重影響植物和農作物的生長發育、產量和品質。當前，有關植物高溫脅迫響應和適應機制的研究主要集中在短期高溫下植物形態生理、轉錄調控以及脅迫記憶等方面。但對長期多代高溫脅迫下植物遺傳變異研究卻極少涉及。

　　突變是生物體遺傳和變異的基礎，是生物進化的根本驅動力。植物作為固著生長的生物，其體溫隨著環境溫度的變化而改變，而長期環境溫度升高對植物基因組DNA突變的影響尚不清楚。《科學》雜志創刊125周年之際公布了125個最具挑戰性的科學問題。其中一個就是“外界壓力環境下，植物的變異基礎是什么？”

　　該研究團隊通過10多年努力，以模式植物擬南芥（生長周期短、基因組小、遺傳背景清晰）為研究材料，成功獲得不同高溫多代的種群譜系和單粒種子譜系。團隊通過全基因組測序分析和多重驗證，確定了多代高溫能顯著加速DNA突變積累、改變分子突變譜；突變位點呈現非隨機性分布，基因間區、編碼區及轉座元件突變頻率明顯增加；更多突變發生在防御響應、DNA修復及信號等方面。

　　團隊進一步分析發現，實驗中用來測定突變積累的植物種群和株系的突變位點分布模式顯著不同，表明種群受到了更強的選擇作用。團隊通過突變偏向性分析表明，多代高溫突變更偏向于低基因密度區、特定的三核苷酸及串聯重復或簡單重復區域。聯合DNA甲基化分析發現，甲基化有助于多代高溫DNA突變的積累。

　　該研究揭示了環境變暖趨勢下植物的突變規律，這一發現有助于解釋植物緯度生物多樣性梯度以及冰期-暖期植物分子進化和物種形成機制。