以sd1基因位点为检测标记的水稻基因转换研究

Gene conversion (GC), by reshuffling existing variations into a novel genetic combination, plays an important role in genome evolution. However, comparing with crossover (CO) events, GCs are poorly documented owing to detecting difficulty with a very small converted tract size. The SD1 gene, a famous ‘green revolution’ gene in rice, with diversified alleles and correspondent varied heights, providing a unique opportunity for us to directly capture the rare NCO events. Here, through incorporating the sd1 locus as a reporter, we carefully designed a system, termed as the ‘sd1 reporter’ system, to estimate both the meiotic and mitotic GC rate in unprecedentedly higher resolution and greater efficiency. Such a system is robust against various artifacts owing to the clearly distinguished phenotypes and genotypes. Once a mitotic GC is identified, this system could be further extended to quantifying its frequency changes in cell lineages via the high-throughput sequencing technology. Therefore, we are not only allowed to study in details about the causes and consequences of GCs in plant genome evolution, but also could assesses its impact on the cell fate during plant development.

基因转换是基因突变的重要组成部分，越来越多的研究表明，其在基因组的演化中扮演着重要的作用。但由于基因转换的片段较短，导致对其直接检测困难。本研究拟以存在多种基因型的水稻绿色革命基因sd1作为检测标记，构建能够直接用于检测基因转换的实验体系，并利用表型与基因型相结合的双重评测体系，从减数分裂和有丝分裂两个层面，系统评估水稻基因转换发生的频率及其生物学影响因素；该体系的最大优点在于野生型（高秆）和突变型表型（半矮秆）清晰可辨，能够大大提高检测效率，再通过基因型确证转换类型，保证结果的可靠性；其次，结合高通量测序技术，该体系可用于定量检测有丝分裂基因转换的频率，细胞竞争的方式与特征。本研究拟揭示植物基因转换的频率、规律及其影响因素，为系统评估基因转换在植物演化过程中的作用奠定基础。

重组（含减数分裂和体细胞重组）,包括染色体交叉互换（CO）和非交叉互换（NCO），其非互惠的基因型交换为基因转换（GC），不仅对基因组的稳定性起到了非常关键的作用，其还可以通过重组产生新的基因型或多样性组合，对生物多样性的产生与维系起到重要的作用。到目前为止，对减数分裂CO事件的评估较为全面，但由于NCO所涉及的片段较小，导致对其的检测存在一定困难。虽然利用高通量测序，结合亲-子及四分孢子为对其进行了研究，但受亲本间多态性标记密度的影响，使得GC被低估。此外，有丝分裂的CO和NCO由于事件的稀有性，缺乏可靠的定量研究。 我们以水稻“绿色革命”SD1基因为标记，构建了表型变化和基因型鉴定相结合的快速、高精度的重组检测系统,即依赖SD1基因两个不同缺陷型等位基因之间的重组，检测功能性SD1基因（高杆植株表型）的恢复频率。该检测系统不依赖于亲本间的标记密度，不仅可以降低检测成本，还大大提高了NCO的检测效率。本研究成功将该系统应用到水稻减数分裂和有丝分裂基因转换的高精度评估中。研究检测了18,000个F2植株和1,100,000个F1植株后，发现一次减数分裂中每个单倍型每个基因转换频率为3.3 × 10-4，而有丝分裂中每个单倍型每个基因转换频率为1.36 × 10-6；同时在有丝分裂基因转换事件中检测到了一类超长片段的事件，这一结果远大于利用相同系统在相同位点的减数分裂基因转换事件；对F1有丝分裂重组个体的细胞杂合性分析中显示，植物组织发育过程中可能伴随着异质细胞间的竞争行为，且SD1基因功能的恢复可能可提高该细胞的竞争能力；最后，通过数据综合模拟分析发现，每个植物世代中预期的有丝分裂基因转换和减数分裂基因转换一样，同样对子代的多样性有着重要贡献和影响，为我们了解基因转换的生物学功能及演化地位提供了有力的理论支撑。