基因组冲击引起小麦体细胞杂种基因组变异的研究

A new technology system of creating somatic hybrid of wheat introgression line was established in our laboratory. It offers opportunities for making heterogenic chromatin introgression directly into the wheat genome from different cereals and new species and can emerge sympatrically with its parental ones. Recent studies have revealed that there exists a different type of genetic and epigenetic variations, termed "genome shock", in both parental genomes coexistence of somatic hybrids. Breeding experience has consistently indicated that these variations may contribute to the genesis and variation of important agronomic traits. The techniques of GISH, SSR, AFLP, SSCP, MSAP, IRAP / REMAP / SSAP will be used to investigate the main period and way of somatic hybridization of wheat and Thinopyrum intermedium (Elytrigia intermedium) chromatin elimination and introgression in the single fusant, genetic and epigenetic variations and expression profiles and related functional analysis of responsive genes will also be studied. The results may enrich and promote the theory and practice of wheat asymmetric somatic hybridization to create new germplasm introgression lines, and provides a new research system for the study of genetic and epigenetic variation induced by "genome shock" of distant hybridization.

本实验室建立了通过不对称体细胞杂交创制渐渗系的技术体系（国家发明专利：ZL200410075774.7）。实现了不同禾谷类的异(外)源染色质在细胞水平直接渐渗入小麦基因组,为高度分歧的物种间基因交流提供了机会。杂种中双亲基因组共存及染色质渐渗引起的"基因组冲击"将导致小麦基因组发生遗传及表观遗传变异，这些变异是新种质形成的理论基础。本项目拟采用GISH、SSR、AFLP、SSCP、MSAP、IRAP/REMAP/SSAP等技术，确定小麦/中间偃麦草在单个融合细胞水平发生的异源染色质消减和渐渗；遗传及表观遗传变化；利用构建的融合早期杂种基因芯片信息，对杂种发育中基因表达谱和相关基因进行分析。初步了解体细胞杂种渐渗系的形成方式、不同发育时期基因组变异特征和相关基因。研究结果可丰富和完善小麦体细胞杂交创制渐渗系新种质的理论与实践，并为研究远缘杂交基因组冲击诱导的遗传及表观遗传变异提供新实验体系。

植物体细胞杂交技术能够克服有性杂交不亲和等障碍，产生多样有性杂交无法实现的作物新类型。本实验室前期成功进行了小麦与多种禾草的对称与不对称体细胞杂交，获得了小麦渐渗系。从其后代中选育出一系列优质高产的耐盐、耐旱的小麦新品种和新品系。已开展的对称/不对称体细胞杂交工作大多关注于对外源目的性状转移的研究，但对体细胞杂种中供体染色质消减的时期、方式及机制了解甚少。本项目进行了普通小麦（扬麦158）与中间偃麦草的体细胞杂交，利用细胞学、遗传及表观遗传学及基因组高通量测序技术，对体细胞杂交早期的融合体进行了系统研究。得到以下实验结果：首次获得了可育小麦与中间偃麦草的体细胞杂种，揭示了亲本间的遗传互补是促使体细胞杂种植株再生的必要条件；利用细胞学及GISH分析技术，确定了体细胞杂种中供体染色质的消减主要发生在融合体培养发育5-7d左右，主要以细胞分裂间期微核外排、细胞周期不同步或细胞有丝分裂中出现染色体滞后、形成染色体桥及异常染色体分裂等方式进行消减；探讨了UV照射供体原生质体是导致融合体细胞内发生氧化还原反应，进而引发供体染色质消减和渐渗的主要原因；利用遗传及表观遗传技术，分析显示小麦与中间偃麦草的体细胞杂交早期，融合体在生长发育阶段，双亲基因组间“遗传冲突”是导致遗传及表观遗传模式发生变化，导致染色质重排、渐渗入受体基因组的主要原因；利用第二代高通量测序技术, 分析了小麦与杂种中的基因表达变化。首先确认了杂种的遗传物质主要来源于亲本小麦，在双亲及杂种样品中，共获得了 27048个差异表达的基因，有12414个上调表达基因，14524个下调表达。亲本与体细胞杂种差异表达基因的 GO分析富集的途径主要集中在各种化合物的细胞进程、代谢过程、细胞组分及组装、催化活性等途径。该研究结果为丰富和完善小麦体细胞杂交创制渐渗系提供了理论依据和实验体系。