2021年5月25日,扬州大学金飚教授团队和徐辰武教授团队联合菲沙基因在国际权威期刊Genome biology(IF=10.805)上发表了题为“Genome-wide DNA mutations in Arabidopsis plants after multigenerational exposure to high temperatures”的研究论文,该研究团队通过10多年的努力,以模式植物拟南芥为研究材料,成功获得不同高温多代的种群遗传谱系(MA populations)和单粒种子遗传谱系(MA lines)。研究首次从两个层面揭示长期多代高温(Heat和Warming)下植物的DNA突变速率和突变谱规律,为阐明长期环境胁迫下植物分子进化机制提供了重要的理论依据,同时为探索植物对未来气候变暖的长期响应和适应趋势提供了前瞻性的预测。菲沙基因承担了本研究中拟南芥的测序与生信分析工作。
图1 文章发表信息
研究背景
气候变暖已成为全球关注的热点问题之一,高温胁迫严重影响植物和农作物的生长发育、产量和品质。迄今为止,有关植物高温胁迫响应和适应机制的研究主要集中在短期高温下植物形态生理、转录调控以及胁迫记忆等方面,而长期多代高温胁迫下植物遗传变异研究却极少报道。因此,选择模式植物拟南芥进行高温胁迫下的MA实验,并寻找关键的遗传突变,可为环境变暖下的植物分子进化研究提供新见解。
研究思路
实验设计:极端高温组(白天32℃/晚上27℃;Heat;E10,B22)、适度高温组(白天28℃/晚上23℃;Warming;F10,C19)、对照组(白天23℃/晚上18℃;Control;D10,A16)。
测序材料:祖先种(G0)、第10代(G10)材料(三个组别D10、E10、F10)、对照组G16(A16)、适度高温组G19(C19)、极端高温组G22(B22);其中,D10、E10、F10属于MA lines,A16、B22、C19属于MA populations。
测序深度:GO平均深度37.1×、其余材料测序深度36-52×。
变异检测:搭建分析流程,GATK+多种过滤方法。
图2 实验设计
研究结果
1.多代高温下拟南芥的突变位点鉴定及突变速率
通过设置不同的实验组(对照、适度高温、极端高温组),并选择不同温度处理下的实验材料进行重测序和生信分析,研究者在MA line中共检测到211个纯合变异位点(SNVs和InDels),其中的205个得到了sanger测序验证;在MA population中鉴定到了376个纯合变异位点。此外,检测到的大多数InDel在1-3bp,且没有检测出新的TE插入事件。
图3 不同实验组InDel的分布情况统计
该研究分别比较了MA lines、MA populations不同实验组SNV、InDel的突变速率,结果表明,在MA lines中,与对照组相比,极端和适度高温组SNV的突变速率显著增加,且极端高温组InDel的突变速率是对照组的5倍,但与适度高温组无显著差异;在MA populations中,极端高温组SNV的突变速率显著高于对照组与适度高温组,但对照组与适度高温组间SNV的突变速率无显著差异。MA populations突变位点分布模式与MA lines显著不同,且SNV突变速率和总突变速率(SNV和InDel)的突变速率均低于MA lines。此外,分子突变谱分析发现,多代高温下C:G → T:A是突变频率最高的突变类型,其次是A:T → T:A。
图4 不同实验组SNV、InDel突变速率的比较
2. 多代高温下拟南芥不同基因组区域的突变频率及功能基因的突变
多代高温下,植株基因组不同区域突变频率或速率明显不同。在MA lines中,基因间区的突变频率要高于基因区域;在极端高温组与适度高温组中,基因的编码区域突变速率高于非编码区域;极端高温组中,非编码区域中的内含子和非翻译区(UTR)突变频率最高;在转座子区域,随着温度升高,其突变频率增加。在MA populations中,极端高温组的基因间区与TE区域突变频率都显著高于对照组。不同于高温MA lines,MA population的极端高温组的编码区域突变频率要低于适度高温组。此外,MA population高温组编码区突变频率均低于MA lines,其中特别是极端高温MA population。进一步计算Ka/Ks(非同义突变位点/同义突变位点)比值显示极端高温lines的Ka/Ks比值为0.92,而极端高温 population的Ka/Ks比值为1.51(> 1),说明极端高温population可能已受到较强的正向选择。
图5 多代高温下基因组不同区域突变频率的比较
此外,对功能基因的突变研究显示,在多代高温胁迫下,基因组中与防御反应、DNA修复和信号传导相关的基因会积累更多的突变,高温下转录响应相关基因易发生突变。
3.多代高温下拟南芥突变的偏好性
为进一步研究高温胁迫下拟南芥突变的偏向性,研究者从位点甲基化、基因密度、GC含量、序列环境及与自然变异的比较等方面展开了深入研究。结果表明,在多代高温组中突变位点处甲基化频率更高,证实了DNA甲基化可促进多代高温的突变积累;在多代高温胁迫下,拟南芥突变位点明显偏向于低基因密度区、特定的三核苷酸、串联重复序列和相邻的简单重复序列区域,但GC含量与突变频率无显著相关性。此外,本研究鉴定到多代高温下变异位点与拟南芥1001基因组计划的自然变异位点具有较高的重叠性,表明多代高温突变在基因组中呈现非均匀分布。
图6 DNA甲基化对突变频率的影响
总结
经过数十代的MA实验和多层面的突变分析,研究者对多代高温下拟南芥的全基因组突变规律进行了充分研究,明确了长期多代高温胁迫可加速植物中DNA突变的积累,并改变其分子突变谱特征,这些结果为阐明长期环境胁迫下植物分子进化机制提供了重要的理论依据,同时为探索植物对未来气候变暖的长期响应和适应趋势提供了前瞻性的预测。
扬州大学路兆庚博士为该论文的第一作者,扬州大学园艺和植物保护学院金飚教授和农学院徐辰武教授为该论文的共同通讯作者,菲沙基因的柯文斯和肖思维生信分析师为该论文的作者之一。