植物器官间及器官内细胞群突变模式的研究

Great progress has been made in the detection of mutational patterns in animal organs and cancel cells which is very important to understand how a cancel occurs and develops. However, it is little such study in plant. Actually, it is fundamentally important to understand how much the rate of somatic mutations in plant and how many of them inheritable. To address these issues, we propose to genotype somatic mutations by sequencing about 500 genomes of plant leaves, roots and stems from all or some of five perennial and annual species, including a few of 200 - 600 years’ old peach trees. In this proposal, we are going to detect the number of somatic mutations in new tissues per cell and per year; the differences of somatic mutations in plant organs; the proportion of somatic mutations which can be observed in the meiotic progenies; the pattern of somatic mutations which could be accumulated in the old peach trees; and the difference of evolutionary speed between perennial and annual specie when considering the contribution of somatic mutations in meiotic progenies. Our proposed studies will be important to fully understand the pattern of somatic mutations in plant and how many somatic mutations could be inheritable to their offspring.

近年来，肿瘤细胞群体突变模式及其进化规律的研究取得重大进展，深化了对肿瘤发生、发展和癌症治疗对策的认识，同时也促进了动物体细胞突变的研究。但相对而言，植物体细胞群的变异则鲜有研究。为此，本申请选择基因组小的桃树、水稻等多个物种，对植物器官间及器官内细胞群的突变数量、分布模式、突变发生发展的规律性等作较为系统的研究。通过对器官间和器官内不同位置的细胞进行取样、基因组测序、突变检测等，了解植物细胞群间和细胞群内存在的遗传多样性及其突变分布模式；通过检测同一植株的有丝分裂突变和减数分裂子代中的突变，明确体细胞突变可以遗传到子代的数量，全面认识植物种群的变异及其来源；通过对分歧时间不同的枝条及其叶片进行抽样测序，进而计算体细胞突变随着时间增长而增加的数学模型，明确多年生植物的进化速率。这些研究，将揭示体细胞突变对基因组变异的作用，深入理解生物适应与进化的内在基础。

一直以来，相对于动物体细胞有丝分裂变异的高度关注，植物体细胞突变则鲜有研究。本项目选择基因组小的多年生植物和一年生植物为实验材料，利用高通量测序的手段，系统的评估了各个物种不同器官、不同年龄的体细胞突变产生、积累以及继承情况，探讨了体细胞突变的产生和积累模式以及影响因素。研究发现不同物种在体细胞突变率上存在一定的差异，而体细胞突变的分布规律在不同物种当中具有一定的相似性；植物体细胞突变的积累并不随其年龄的增长而快速增加，植物存在类似于动物胚胎发育早期生殖系细胞隔离的现象来减缓有害突变的积累。通过对不同器官(叶片、花瓣、根等)体细胞突变的研究发现同一植株的不同器官组织存在不同的突变率，这种差异性调控可能是植物减少适应性代价的一种方式，是对高成本修复调控（生殖需求）和个体生长发育需求的平衡，也是植物自身适应性演化的重要策略。此外，对不同物种体细胞突变的继承情况进行追踪，发现多年生植物的体细胞突变传递到下一代的比例远高于一年生植物，因此体细胞突变对于多年生植物的遗传多样性可能具有更大的贡献。