植物多倍體的形成及其二倍化機(jī)制

田恩堂　賀朱林　周平

摘要：大約70%的開(kāi)花植物在進(jìn)化史上都經(jīng)歷過(guò)多倍化的過(guò)程，多倍體植物通常具有較強(qiáng)的可塑性，容易形成新物種。而新形成的多倍體往往不能穩(wěn)定存在，其基因組需要再經(jīng)歷一次二倍化的過(guò)程，從而在基因水平上和細(xì)胞學(xué)水平上更接近二倍體。對(duì)多倍體二倍化的機(jī)制和相關(guān)研究的未來(lái)發(fā)展情況進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：多倍體；遺傳二倍化；細(xì)胞學(xué)二倍化

中圖分類號(hào)：Q953 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2017）11-2001-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.11.001

Abstract： About 70% flowering plants were once polyploidy in their evolutionary history， the polyploidies usually possess strong plasticity and has the capability of forming new species. While the neopolyploidies are usually unstable， most of which need to experience one process of diploidization in genomic and cytology level. This paper discussed the mechanism of polyploidy diploidization and its possible researches in the future.

Key words： polyploid； genetic diploidization； cytology diploidization

大約70%的開(kāi)花植物經(jīng)歷了多倍化的過(guò)程，許多重要的作物，如香蕉、咖啡、棉花、玉米、馬鈴薯、燕麥、大豆、甘蔗、小麥等都是多倍體，基因組測(cè)序則顯示即使是基因組最小的擬南芥也是由古四倍體進(jìn)化而來(lái)的。但新形成的多倍體往往是不穩(wěn)定的，還需要經(jīng)歷一個(gè)二倍化的過(guò)程，從而讓新多倍體在基因組水平和細(xì)胞學(xué)水平上更像二倍體。本研究從多倍體的概念入手，分別對(duì)多倍體形成的研究意義、多倍體二倍化的機(jī)制研究進(jìn)展及多倍體的后續(xù)可能研究方向進(jìn)行了綜述和探討。

1 植物多倍體的形成

1.1 多倍體概念

多倍體是指含有3套或3套以上完整染色體組的生物體，根據(jù)染色體來(lái)源的不同分為同源多倍體與異源多倍體，其形成途徑主要有：①二倍體親本經(jīng)過(guò)基因組加倍直接形成同源四倍體；②通過(guò)種間雜交形成單倍體雜種，然后經(jīng)過(guò)染色體加倍形成異源多倍體；③自然產(chǎn)生的雌雄非減數(shù)配子通過(guò)融合形成異源多倍體；④兩個(gè)同源四倍體親本通過(guò)雜交形成異源四倍體；⑤異源多倍體通過(guò)染色體間的重組形成節(jié)段異源多倍體。此外，還有一種利用突變體產(chǎn)生多倍體的新途徑，D'erfurth等[1]通過(guò)模式植物擬南芥3個(gè)基因突變的結(jié)合，建立了一個(gè)稱為“MiMe”的基因型，此基因型植株生殖細(xì)胞的減數(shù)分裂可以完全被有絲分裂所取代，產(chǎn)生的未減數(shù)雌雄配子融合后形成的新單株染色體數(shù)目比親本增加一倍。但隨著世代的不斷增加，擬南芥的育性不斷降低，從25±6粒種子/角果（2n）到19±4（4n），甚至小于0.10（8n）。因此，利用突變獲得多倍體的新途徑可能還需要進(jìn)一步探索。

1.2 多倍化意義

多倍體植物具有較強(qiáng)的可塑性，即多倍體植物能夠忍受多倍化給基因組帶來(lái)的劇烈沖擊，這些沖擊包括：不同親本基因組進(jìn)入同一個(gè)細(xì)胞核，種間雜種染色體數(shù)目變異，染色質(zhì)親本來(lái)源不均衡，基因組的重組等，以及由這些變化所帶來(lái)的多倍化過(guò)程中基因組劇烈的遺傳、表觀遺傳變化及表達(dá)與代謝產(chǎn)物的變化[2]。這種較強(qiáng)的可塑性使多倍體植株基因組具有較強(qiáng)緩沖能力的同時(shí)，也極大地提高了其抗逆性與環(huán)境適應(yīng)性，例如小麥通過(guò)兩次多倍化形成的普通小麥（六倍體小麥）后，在世界各地廣泛被種植，目前其種植面積已占所有小麥面積的95%，幾乎取代其二倍體與四倍體親本。

多倍化能夠拓寬物種的遺傳變異并有利于新物種的形成。此外，多倍化有利于創(chuàng)建新型種質(zhì)資源，增加物種變異，改良作物。例如Seyis等[3]利用人工合成材料對(duì)甘藍(lán)型油菜的品質(zhì)性狀進(jìn)行了改良，創(chuàng)造了低芥酸的材料，增加了甘藍(lán)型油菜的遺傳變異。此外，研究植物多倍化過(guò)程還有利于明晰植物的進(jìn)化歷史，解析和利用雜合子的固定雜種優(yōu)勢(shì)，這對(duì)作物育種可能具有極大的指導(dǎo)作用。例如，當(dāng)小麥新多倍體的基因組組成與自然多倍體相似時(shí)，其染色體序列消失較早；基因組組成無(wú)對(duì)應(yīng)自然多倍體時(shí)，其染色體序列消失較晚；伴隨親本序列的丟失，多倍體的育性得到了提高。因此，根據(jù)多倍體早代基因組變化情況進(jìn)行選擇，可能極大地提高育種效率。

2 植物多倍體二倍化的研究進(jìn)展

2.1 植物多倍體的遺傳二倍化的研究進(jìn)展

大部分植物經(jīng)歷過(guò)多倍化的過(guò)程，同時(shí)在這個(gè)過(guò)程中基因組也發(fā)生了很大的變化，并且這種變化是跳躍式的，也就是說(shuō)新形成的異源多倍體的基因組并不是雙親基因組的簡(jiǎn)單累加，而是表現(xiàn)出明顯的非孟德?tīng)栕兓痆4]。這種變化有一個(gè)總體的方向，即在多倍化過(guò)程中形成的冗余的基因傾向于被丟失、沉默或者亞功能化，這個(gè)過(guò)程可稱為新多倍體遺傳二倍化的過(guò)程[5]。新多倍體形成后基因組要經(jīng)歷劇烈的震蕩過(guò)程，這些震蕩包括DNA序列水平上的變化，甲基化水平上的變化，轉(zhuǎn)座子水平上的變化，表達(dá)水平上的變化。下面就對(duì)新多倍體這些遺傳水平上的變化的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

雜交和多倍化可能導(dǎo)致基因組水平上發(fā)生變化，這些變化的過(guò)程可能是非隨機(jī)的、快速的、程式化的、非加性的[6]。其中DNA序列變化是重要的一種變化，其變化的序列來(lái)源于基因組重復(fù)序列、rRNA基因、代謝相關(guān)基因、抗病基因及細(xì)胞周期調(diào)控基因等[4]。Song等[7]利用RFLP（89個(gè)探針）技術(shù)研究人工合成芥菜型油菜與甘藍(lán)型油菜時(shí)，發(fā)現(xiàn)多倍體后代快速丟失親本片段并獲得新帶，而且人工合成芥菜型油菜基因組序列變化明顯大于人工合成甘藍(lán)型油菜，認(rèn)為這是由親本的遺傳差異所決定的。該研究為多倍化的研究提供了一種全新的途徑和研究方式，同時(shí)也開(kāi)啟了利用自然或者人工合成多倍體基因組水平上研究和模擬多倍體進(jìn)化的序幕。此外在人工合成多倍體米草屬、菊科與蕓苔屬后代中也檢測(cè)到了親本序列快速丟失現(xiàn)象，丟失范圍在0.1%～3.0%[8]。在山羊草屬的Ae.sharonensis（S1S1）與Ae.umbellulata（UU）雜交中，Shaked等[9]也觀察到類似的單向丟失現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)AFLP分析發(fā)現(xiàn)前者的帶在雜種中丟失率高達(dá)14%，而后者僅為0.5%。Ma等[10]在人工合成異源六倍體、八倍體小麥后代中發(fā)現(xiàn)親本序列發(fā)生大量丟失，頻率在6.3%～23.7%。而Chen等[11]在研究人工合成異源四倍體黃瓜時(shí)發(fā)現(xiàn)DNA序列變化頻率可以高達(dá)32.1%。因此，在新多倍體中，基因組序列的變化是普遍發(fā)生的，雖然有的研究認(rèn)為棉花在多倍化過(guò)程中基因組列中不會(huì)發(fā)生變化[12]，但隨后的研究證實(shí)了這個(gè)結(jié)論的片面性[13]。

高等植物中DNA甲基化是非常劇烈與普遍的，約有30%的胞嘧啶堿基被甲基化[14]。人工合成異源多倍體擬南芥、米草屬中分別檢測(cè)到3.6%、8%及13%的甲基化位點(diǎn)發(fā)生了變化[15]。小麥遠(yuǎn)緣雜種F1代與其親本在基因組水平上存在不同模式的胞嘧啶甲基化，不同模式甲基化的頻率高達(dá)13%[9]。Madlung等[16]在研究人工合成異源四倍體擬南芥中，檢測(cè)到來(lái)自父本與母本序列的甲基化變化比率分別為16.5%與10.7%。然而，Lukens等[17]在人工合成異源四倍體蕓苔屬中檢測(cè)到了甲基化變化頻率高達(dá)48%。因此新多倍體二倍化過(guò)程中甲基化狀態(tài)的變化是普遍發(fā)生的，雖然有人認(rèn)為棉花多倍化過(guò)程中基因組序列的甲基化狀態(tài)不會(huì)發(fā)生變化[12]，但隨后的研究證實(shí)了這個(gè)結(jié)論的片面性[18]。而大多數(shù)植物在新多倍體早期進(jìn)化過(guò)程中形成的甲基化狀態(tài)改變通常可以穩(wěn)定遺傳到后代中[19]。

在植物多倍化過(guò)程中轉(zhuǎn)座子也很容易被激活表達(dá)[20]。Madlung等[20]在人工合成異源四倍體小麥和擬南芥中也分別檢測(cè)到了轉(zhuǎn)座子大量被激活的現(xiàn)象。Hanson等[21]利用FISH技術(shù)檢測(cè)到了異源四倍體棉花在形成以后，轉(zhuǎn)座子能夠大量被激活并從D基因組轉(zhuǎn)座到A基因組上。

植物在多倍化過(guò)程中基因表達(dá)會(huì)發(fā)生變化，這些變化包括基因的沉默、激活和部分同源基因表達(dá)水平的變化。基因表達(dá)狀態(tài)的改變是一個(gè)快速、廣泛發(fā)生的過(guò)程，但相對(duì)于植物中的龐大的基因數(shù)目而言，是一個(gè)小概率事件。Cedroni等[22]在研究人工合成異源四倍體棉花時(shí)，發(fā)現(xiàn)大部分MYB基因在親本與后代中表達(dá)相同，少數(shù)基因表達(dá)存在差異。在人工合成異源四倍體擬南芥的20個(gè)被檢測(cè)的基因中有3個(gè)表達(dá)水平發(fā)生了改變[23]。在另外一篇利用擬南芥人工合成異源四倍體作為研究用材料的文章中，多倍化過(guò)程中基因表達(dá)變化頻率在0.2%～2.1%[24]。此外，Martelotto等[25]利用芯片技術(shù)檢測(cè)人工合成同源四倍體百喜草基因的表達(dá)狀態(tài)時(shí)，發(fā)現(xiàn)有6.4%的基因在表達(dá)水平上發(fā)生了快速的變化。植物多倍化過(guò)程中，蛋白編碼基因表達(dá)變化可能包括基因表達(dá)的沉默[26]。Comai等[27]在研究人工合成異源四倍體擬南芥時(shí)發(fā)現(xiàn)，大約有0.4%的親本基因發(fā)生沉默。人工合成異源四倍體棉花5%的重復(fù)基因沉默或下降表達(dá)[18]。此外，基因在多倍化過(guò)程中也可能被激活或顯性表達(dá)，例如在人工合成異源四倍體小麥中發(fā)現(xiàn)大約有0.4%的基因的表達(dá)狀態(tài)被激活[28]，Chen 等[29]在利用RFLP技術(shù)檢測(cè)人工合成異源多倍體擬南芥的核仁顯性表達(dá)現(xiàn)象時(shí)發(fā)現(xiàn)，新多倍體F1代中來(lái)自親本A.thaliana的特異序列在部分植株中消失，新多倍體F2代中來(lái)自親本A.thaliana的特異序列在全部后代植株中消失，因此，認(rèn)為核仁顯性的穩(wěn)定需要兩個(gè)世代。此外，部分同源基因在新多倍體后代中表達(dá)狀態(tài)也可能會(huì)發(fā)生改變，例如Adams等[30]檢測(cè)到25%同源基因在人工合成異源四倍體擬南芥后代中被沉默及不均衡表達(dá)，不同器官中表達(dá)也不相同。此外，Buggs等[8]在研究自然存在異源四倍體菊科時(shí)發(fā)現(xiàn)有3.4%的同源基因沉默。

2.2 植物多倍體遺傳二倍化的調(diào)控

多倍體在二倍化過(guò)程中，基因組序列、甲基化狀態(tài)、轉(zhuǎn)座子、表達(dá)水平上發(fā)生的劇烈基因組變化不是隨機(jī)的，而是受到遺傳因素調(diào)控的。Chen等[31]對(duì)影響二倍化過(guò)程中各種變化的調(diào)控機(jī)理作了很好的總結(jié)，DNA序列變化可能是由于非同源染色體間的非法重組、不對(duì)等交換、突變等因素導(dǎo)致的，而轉(zhuǎn)座子活性的改變可能是由于DNA和染色質(zhì)狀態(tài)的改變引起的，基因表達(dá)狀態(tài)的沉默、激活或者亞功能化可能是由于染色質(zhì)和RNA途徑調(diào)控、順勢(shì)和反式調(diào)控，DNA甲基化狀態(tài)的變化主要受到染色質(zhì)和RNA途徑、順勢(shì)和反式途徑調(diào)控。

此外，在二倍化過(guò)程中不同類型變化之間也能夠相互影響。DNA序列的改變能夠影響其他類型的變化，如果DNA序列位于基因區(qū)域，其變化則能夠影響對(duì)應(yīng)基因的表達(dá)及甲基化狀態(tài)；如果DNA序列位于轉(zhuǎn)座子區(qū)域，序列的變化能夠影響轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)座。此外，轉(zhuǎn)座子的活性的變化與甲基化水平的變化之間存在一定的相關(guān)性[20]。例如，Wendel[32]在研究一個(gè)水稻侵入系后代轉(zhuǎn)座子和甲基化變化時(shí)發(fā)現(xiàn)，copia類和gypsy類轉(zhuǎn)座子在侵入系的初期可以被大量激活，然后將會(huì)迅速被抑制，因?yàn)榕c兩個(gè)親本相比在F9代檢測(cè)到了大量的copia類和gypsy類轉(zhuǎn)座子激活現(xiàn)象，而在F10和F11代并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)新的轉(zhuǎn)座子被激活。同時(shí)，在轉(zhuǎn)座子被激活的過(guò)程中伴隨著甲基化的變化。而Zilberman等[33]利用免疫沉淀方法將擬南芥全基因組甲基化位點(diǎn)進(jìn)行了作圖，發(fā)現(xiàn)甲基化位點(diǎn)分布頻率與轉(zhuǎn)座子分布的頻率是一致的。此外，Richard等[34]研究了玉米轉(zhuǎn)座子Ac的活性和DNA甲基化水平的關(guān)系以及在后代中的表現(xiàn)，結(jié)果證明甲基化水平降低可使轉(zhuǎn)座因子的活性增加，而且甲基化狀態(tài)在減數(shù)分裂時(shí)保持穩(wěn)定，改變了的甲基化模式可遺傳給后代。反過(guò)來(lái)當(dāng)轉(zhuǎn)座子插入到基因附近時(shí)又可以讓基因被甲基化[35]。

此外，DNA甲基化也是引起基因組變化的重要原因。多倍化引起的后生遺傳的改變可以導(dǎo)致基因表達(dá)式樣的差異，并能夠引起基因失活，增加變異，并與計(jì)量補(bǔ)償效應(yīng)有關(guān)[36]。此外，DNA甲基化的改變可以調(diào)控基因表達(dá)和染色質(zhì)凝集具有潛在的功能[37]。此外轉(zhuǎn)座子活動(dòng)也與基因表達(dá)相關(guān)，例如Kashkush等[28]在研究人工合成異源四倍體小麥反轉(zhuǎn)座子活性變化時(shí)，發(fā)現(xiàn)大量激活的轉(zhuǎn)座子能夠影響鄰近基因的表達(dá)。因此，在多倍體二倍化過(guò)程中各種變化之間并不是相互獨(dú)立的，而是相互影響的，交織成網(wǎng)絡(luò)，同各種變化自身的影響相互作用來(lái)共同調(diào)控植物多倍化體二倍化的進(jìn)程。

2.3 植物多倍體的細(xì)胞學(xué)二倍化研究進(jìn)展

新形成的多倍體后代染色體在減數(shù)分裂過(guò)程中常常不能正常配對(duì)，從而出現(xiàn)大量多價(jià)體與異常減數(shù)分裂，導(dǎo)致非整倍體的出現(xiàn)[27]。因此，新形成的多倍體要想穩(wěn)定遺傳下去，就必須經(jīng)過(guò)一個(gè)細(xì)胞學(xué)二倍化的過(guò)程[5]，下面重點(diǎn)討論一下影響細(xì)胞學(xué)二倍化的因素。

新多倍體細(xì)胞學(xué)二倍化的過(guò)程就是確保同源染色體嚴(yán)格配對(duì)，其中研究最為深入、歷史最長(zhǎng)的是多倍體小麥的Ph1基因。早在1957年日本人Okamoto[38]用x射線處理小麥去雄穗子，并授以黑麥花粉，雜種后代有3.42%的個(gè)體發(fā)生部分同源染色體配對(duì)，他認(rèn)為這是“抑制部分同源染色體配對(duì)基因”的作用，但未能誘導(dǎo)染色體加倍以獲得該缺失突變體。1958年，Sears等[39]在密蘇里和英格蘭幾乎同時(shí)獨(dú)立證明這種抑制部分同源染色體配對(duì)的基因位于5B染色體的長(zhǎng)臂上。1970年，Chapman等[40]發(fā)現(xiàn)Ph1基因在六倍體小麥的二倍體親本中不存在，因?yàn)樵谒谋扼w與六倍體小麥中均存在Ph1基因，因此是在小麥四倍化的過(guò)程中出現(xiàn)的，并遺傳到了六倍體小麥中。1971年，Wall等[41]根據(jù)重組率測(cè)得該基因與著絲粒間約有50個(gè)遺傳單位，并命名為Ph基因（即pairing homoeologous gene），并將該突變體命名為Ph2a。1977年，Sears[42]用X射線處理六倍體小麥中國(guó)春（CS），得到兩個(gè)不同的突變體，經(jīng)細(xì)胞學(xué)鑒定，一個(gè)為5BL上Ph1基因缺失突變體，稱為ph1b，另一個(gè)為3DS上Ph2基因的缺失突變體，稱為ph2b。Sears[43]在3DS上也發(fā)現(xiàn)了一個(gè)類似的弱的抑制部分同源染色體配對(duì)基因口，為了便于區(qū)別，將5BL上的抑制基因稱為Ph1基因，而3DS上的抑制基因稱為Ph2基因，但以位于5BL上的Ph1基因影響最大，作用最顯著，研究也最為深入。現(xiàn)在分子生物學(xué)的高速發(fā)展使得對(duì)Ph1基因的分子特性及位置有了更清晰的認(rèn)識(shí)。Gill等[44]將Ph1基因定位在3CM的范圍內(nèi)。Griffiths等[45]利用水稻和Brachypodium sylvaticum基因組序列進(jìn)行比較基因組作圖，并成功將Ph1基因定位在一個(gè)2.5 Mb區(qū)域內(nèi)。Sidhu等[46]對(duì)Ph1基因進(jìn)行了進(jìn)一步定位于一個(gè)450 kb區(qū)域內(nèi)，包含著26個(gè)Ph1候選基因。

此外，Ph1基因的劑量不同對(duì)同源染色體配對(duì)影響不同，有時(shí)Ph1基因也會(huì)受到特定親本基因型的作用而不能表達(dá)，從而出現(xiàn)部分同源染色體間配對(duì)現(xiàn)象[47]。關(guān)于Ph1基因的作用機(jī)制，目前有3種觀點(diǎn)：①Ph1位點(diǎn)通過(guò)控制減數(shù)分裂前著絲粒的聯(lián)會(huì)來(lái)限制部分同源染色體配對(duì)，例如Martínez等[48]通過(guò)FISH觀察六倍體小麥同源染色體配對(duì)過(guò)程時(shí)，發(fā)現(xiàn)著絲粒在減數(shù)分裂前期便聯(lián)會(huì)成對(duì)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在Ph1位點(diǎn)不存在時(shí)較之存在時(shí)處于更為彌散的狀態(tài)，認(rèn)為著絲粒的配對(duì)預(yù)先決定了染色體的配對(duì)[49]；②Ph1基因通過(guò)影響染色質(zhì)構(gòu)型變化影響同源染色體配對(duì)，例如Prieto等[50]發(fā)現(xiàn)，在存在Ph1的小麥-黑麥雜種中，黑麥染色體上只有常染色質(zhì)可發(fā)生構(gòu)型改變（染色質(zhì)重模），而Ph1缺失時(shí)黑麥染色體上的常染色質(zhì)和端粒異染色質(zhì)都能發(fā)生構(gòu)型變化。③Ph1基因通過(guò)調(diào)控Asynapsis1基因影響同源染色體配對(duì)，例如Boden等[51]研究發(fā)現(xiàn)減數(shù)分裂前期I小麥Asynapsis1基因（TaASY1）編碼的蛋白調(diào)控了同源染色體間（整條染色體上所有位點(diǎn)）的互作，并且受到Ph1基因的調(diào)控。

而理論研究的最終目的是能夠在生產(chǎn)上應(yīng)用，小麥Ph1基因在這方面也走在了前面。雜交后代中執(zhí)行嚴(yán)格的同源配對(duì)，幾乎無(wú)同源重組發(fā)生，來(lái)自二倍體物種的優(yōu)良性狀不能轉(zhuǎn)入到六倍體小麥中。因此，如果利用Ph1基因的突變體再與小麥二倍體物種雜交，其來(lái)自二倍體物種的染色體將能輕易與普通小麥的染色體配對(duì)并進(jìn)行重組，從而可實(shí)現(xiàn)優(yōu)良性狀的轉(zhuǎn)移[52]。

在普通小麥3個(gè)同源群中除了5BL上的Ph1基因外，在其他染色體上同樣也發(fā)現(xiàn)了影響染色體配對(duì)的基因，如5AL和5DL上的促進(jìn)配對(duì)基因[53]，3DS（Ph2）及3AS上的弱抑制配對(duì)基因[54]。所有這些促進(jìn)配對(duì)基因與抑制配對(duì)基因并不是相互獨(dú)立控制染色體配對(duì)的，而是相互作用的，因此，小麥染色體配對(duì)的控制實(shí)際上是一整套遺傳體系，在這個(gè)體系中，Ph1基因是主導(dǎo)基因，但普通小麥染色體配對(duì)控制取決于這些抑制基因和促進(jìn)基因之間的平衡。

在棉花[55]、燕麥[56]等多倍體中有關(guān)同源配對(duì)的調(diào)控機(jī)理仍處在爭(zhēng)論中。可見(jiàn)，染色體配對(duì)控制體系對(duì)染色體配對(duì)的影響較為復(fù)雜。盡管甘藍(lán)型油菜（B. napus，AACC，2n=38）是由甘藍(lán)（B. leracea，CC，2n=18）和白菜（B. rapa，AA，2n=20）雜交形成的異源四倍體，它在減數(shù)分裂過(guò)程中仍表現(xiàn)出嚴(yán)格的二倍體生物特征，大多數(shù)人認(rèn)為這個(gè)過(guò)程是由基因遺傳調(diào)控的[57]。因此，Liu等[58]選用了單倍體具有較高配對(duì)能力的Darmor-bzh與單倍體配對(duì)能力較低的Yudal兩個(gè)甘藍(lán)型油菜作為親本，并利用小孢子培養(yǎng)方法得到了116個(gè)F1單倍體的群體，并對(duì)將他們認(rèn)為的在甘藍(lán)型油菜中控制同源染色體配對(duì)的PrBn基因進(jìn)行了定位，目前他們已經(jīng)將此基因的主效QTL（34.3%）定位到了連鎖群DY15上10cM的區(qū)間內(nèi)。

除了以上所述的染色體配對(duì)基因可以調(diào)控多倍體二倍化過(guò)程外，著絲粒和端粒也是重要的影響因子。其中，著絲粒（centromere）是紡錘絲的附著點(diǎn)和姊妹染色單體的結(jié)合點(diǎn)，沒(méi)有著絲粒的染色體片段不能精確地分離并且在末期同其他的染色體匯聚形成微核。而端粒（telomere）是染色體的末端特有的特殊結(jié)構(gòu)，丟失掉端粒的染色體非常容易同其他染色體相互連接形成雙著絲粒染色體或自身首尾相聯(lián)形成環(huán)狀染色體，而前者在減數(shù)分裂的后期會(huì)形成染色體橋（Chromosome bridge），并導(dǎo)致染色體的重復(fù)和缺失。此外端粒還可以使線形真核染色體的復(fù)制能順利進(jìn)行，若沒(méi)有端粒復(fù)制后新形成的DNA會(huì)逐漸減短。Moore[59]通過(guò)對(duì)多倍體小麥及酵母的研究發(fā)現(xiàn)，在減數(shù)分裂早前期端粒會(huì)在著絲粒的作用下聚集形成“花束”，他認(rèn)為這種結(jié)構(gòu)利于同源染色體配對(duì)，這個(gè)結(jié)論也與早期酵母的相關(guān)研究相一致[60]。而Dvorak等[61]在小麥中的研究表明，無(wú)論端粒“花束”存在與否，在中期I同源染色體可以嚴(yán)格配對(duì)，而非同源染色體則不可以。并且認(rèn)為著絲粒在減數(shù)分裂早前期配對(duì)與否將直接影響染色體的配對(duì)、重組和分離。

而許多細(xì)胞循環(huán)調(diào)控因子也能夠發(fā)揮重要的作用，例如真核生物中的CDKs蛋白已經(jīng)被證實(shí)是常規(guī)的調(diào)控因子，而且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多個(gè)CDKs蛋白與細(xì)胞循環(huán)控制有關(guān)。這些蛋白在進(jìn)入和退出減數(shù)分裂和有絲分裂，G1/S、S/G2和G2/M時(shí)期轉(zhuǎn)變中起著重要的作用[62]。而Kinesin蛋白則是微管形成的重要啟動(dòng)蛋白，它的突變可以引起紡錘絲的異常[63]。而目前已報(bào)道許多微管調(diào)控蛋白被認(rèn)為是有細(xì)胞調(diào)控因子調(diào)控[64]。

此外，許多研究證實(shí)環(huán)境條件和遺傳背景對(duì)染色體配對(duì)也有較大的影響，例如溫度異常會(huì)導(dǎo)致染色體配對(duì)提前，尤其是對(duì)于溫度敏感型的材料[65]。除了溫度變化外不同的季節(jié)（夏季和冬季）的聯(lián)會(huì)程度也是有影響的。此外在山羊草同普通小麥的雜交過(guò)程中，Sechnyak等[66]發(fā)現(xiàn)粗厚山羊草細(xì)胞質(zhì)有助于促進(jìn)它與普通小麥的部分同源染色體配對(duì)，因此，不同的親本遺傳背景對(duì)于染色體配對(duì)也有影響。

3 植物多倍體二倍化的后續(xù)研究

多倍體在植物進(jìn)化與物種形成中具有重要的意義，例如多倍體本身相對(duì)于其二倍體親本具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如多倍體往往會(huì)具有更強(qiáng)的可塑性與遺傳分化能力[2]。而新形成的多倍體要想穩(wěn)定存在下去，就必須經(jīng)歷一個(gè)細(xì)胞與遺傳二倍化的過(guò)程[5]。而新多倍體的二倍化過(guò)程能夠促進(jìn)新多倍體的穩(wěn)定性，消除冗余基因，提高生物體營(yíng)養(yǎng)的高效利用。各種現(xiàn)代分子標(biāo)記技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用使人們對(duì)多倍體遺傳二倍化過(guò)程中基因組和表達(dá)水平上劇烈的震蕩有了全新的認(rèn)識(shí)，這種變化往往是快速的、非隨機(jī)的、受復(fù)雜影響因素調(diào)控的。而新多倍體后代的細(xì)胞學(xué)二倍化過(guò)程同樣具有重要的意義，能夠控制同源染色體嚴(yán)格配對(duì)，阻止非同源染色體或者部分同源染色體之間的配對(duì)[27]。而調(diào)控細(xì)胞學(xué)二倍化的因子很多，例如染色體同源配對(duì)基因、著絲粒和端粒、細(xì)胞循環(huán)調(diào)控因子、環(huán)境條件和遺傳背景，各種因素相互作用共同確保多倍體遺傳的穩(wěn)定性。

關(guān)于多倍體形成后遺傳學(xué)與細(xì)胞學(xué)二倍化的變化已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注，其背后的調(diào)控機(jī)制也被廣泛地研究[31]。目前關(guān)于二倍化調(diào)控機(jī)制的研究?jī)H僅局限在少數(shù)植物中，例如同源配對(duì)基因的研究只有在多倍體小麥中研究得比較清楚，所以需要研究更多物種來(lái)積累足夠資料。在研究的過(guò)程中，兩個(gè)問(wèn)題是必須要面對(duì)的，也是下一步研究需要重點(diǎn)關(guān)注與解決的。一是關(guān)于植物多倍體二倍化的驅(qū)動(dòng)力問(wèn)題，植物通過(guò)染色體同源配對(duì)系統(tǒng)確保減數(shù)分裂正常進(jìn)行，從而確保有性生殖系統(tǒng)的正常運(yùn)作，而植物多倍體的二倍化恰恰可以起到類似的作用，因此多倍體的二倍化是否由確保有性生殖系統(tǒng)順利進(jìn)行的基因進(jìn)行調(diào)控的、怎樣調(diào)控的還需要進(jìn)一步證據(jù)來(lái)解析。二是多倍體的二倍化可以促進(jìn)新多倍體的穩(wěn)定遺傳，消除冗余基因并提高生物體營(yíng)養(yǎng)的高效利用，但同時(shí)可能降低新多倍體遺傳分化程度，也影響了表型的進(jìn)一步分化；但多倍體相對(duì)于沒(méi)有經(jīng)歷過(guò)多倍化的純二倍體材料來(lái)講，其本身經(jīng)歷二倍化后仍然存在大量冗余基因，只不過(guò)臨時(shí)表達(dá)被弱化、沉默、亞功能化，當(dāng)遇到環(huán)境等外界因素改變時(shí)刺激轉(zhuǎn)座子與甲基化狀態(tài)的改變，這些冗余基因就能夠重新被激活從而引起新的變異，這種觀點(diǎn)普遍認(rèn)為此過(guò)程是由表觀遺傳調(diào)控的，但什么機(jī)制觸發(fā)表觀遺傳學(xué)的改變還需要進(jìn)一步深入研究。總之，關(guān)于植物多倍體進(jìn)行二倍化的調(diào)控機(jī)理的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但距離明晰機(jī)理還有很長(zhǎng)的路要走。

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