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雄性不育研究新思路：线粒体基因组+转录组测序

来源：爱乐趣网时间：2020年04月21日 10:54

原标题：雄性不育研究新思路：线粒体基因组+转录组测序

最近，派森诺生物与华中农业大学合作，在《BMC Genomics》（最新影响因子3.501）发表最新研究论文，提出了异质系细胞质雄性不育（Cytoplasmic male sterility, CMS）的一致性，为进一步研究雄性不育基因的特性奠定了基础。

研究背景

异质系是核基因组与野生细胞质结合形成的细胞质雄性不育系。在本研究中，我们对芸苔属五种异质系的线粒体进行基因组和转录组测序，通过基因组间序列的比较来阐明序列重排，进行系统发育分析，发现雄性不育的候选基因。转录组分析以基因组序列为基础，不仅对蛋白质编码基因和特异ORFs的全基因组进行表达分析，而且能够对常见的RNA编辑进行分析。

研究方法

实验材料：5个回交多代的雄性不育系（Brassica oxyrrhina, Diplotaxis berthautii, Diplotaxis erucoides，Diplotaxis catholica和 Moricandia arvensis）；

测序技术：Illumina MiSeq+Pacbio RSII、 Illumina X Ten高通量测序平台；

测序模式：对获得的CMS线粒体进行转录组和基因组测序。‍

研究结果

5个线粒体基因组的GC含量均在45%左右，大小在220-257kb之间（基因组圈图如图1所示）。注释结果表明：Diplotaxis catholica CMS株系缺少rps7基因（如表1所示）。

图1 芸苔属5个异质雄性不育系线粒体基因组圈图

重复序列在五个线粒体基因组的含量从3.74%到8.53%不等，其中Moricandia arvensis CMS株系的一个11.0kb的重复序列导致其序列扩张。除Brassica oxyrrhina CMS株系以外，其余4个样本每个都至少包含一个大的重复序列。在这些重复序列中小重复序列的种类最丰富，短串联重复序列的长度范围为12bp-59bp。

表1 芸苔属5个异质雄性不育系线粒体的基因组序列特征

文献表明十字花科植物的线粒体基因组序列同源性很高。以Brassica juncea var. yejiecai为参考基因组，与5个线粒体基因组进行比较分析。发现虽然线粒体基因组间的序列具有很高的同源性，但存在大量的片段倒置和重排(如图2)。

图2 芸苔草线粒体基因组与异质线粒体基因组的比较序列分析

图3 每个异质线粒体基因组与芸苔草线粒体基因组之间snp和Indels的分布

以Brassica juncea var. yejiecai的线粒体序列为参考基因组，鉴定5个线粒体基因组的SNP和Indel序列。结果表明， SNP和Indel的数量和密度在不同的线粒体中存在一定差异（如图3所示）。与此同时也鉴定出大量的Indel且位于基因间区的Indel较少（如表2）。

表2 异质线粒体基因组与芸苔草线粒体基因组的SNP数比较

对常见栽培的芸苔属植物、芸苔科野生亲缘植物和其他三种细胞质雄性不育系等24个线粒体基因组的23个保守基因构建进化树（如图4）。结果表明Diplotaxis berthautii CMS和Diplotaxis erucoides CMS与Eruca vesicaria subsp. Sativa比较近源，而Diplotaxis catholica CMS与Sinapis arvensis由同一个祖先进化而来，与Brassica oxyrrhina CMS较为近源。

图4 异质线粒体基因组序列与十字花科其他线粒体基因组序列的最大似然树

通过转录组测序分析确定了平均364个RNA编辑位点位于异质编码蛋白的基因，81个位于在基因间区（如表3）。研究确定了Brassica oxyrrhina CMS和 Diplotaxis catholica CMS中某些编辑位点，如ccmFc、cox2、nad2和rpl2的内含子区域，而在其他三个异质系中没有发现类似的编辑位点。

表3 每个线粒体基因组的RNA编辑图谱

对所有5个五个异源质体的有丝分裂特异性序列（mitotype-specific sequences，MSSs）进行检测发现，这些异源质体均来自于芸苔属植物的正常细胞质。Brassica oxyrrhina CMS和Moricandica arvensis CMS的MSSs分别为44.5 kb和 43.2 kb，而另外三个株系MSSs的平均大小为37.2kb。这些MSSs片段大部分邻近或包含重复序列，这意味着线粒体基因组可能在两种不同的有丝分裂类型共存期间通过重复序列进行序列重排。据报道，MSSs中某些独特的ORFs与雄性不育基因有关。MSSs中与编码基因相邻的一些ORFs被特异性转录，尤其是候选雄性不育基因orf108(与atp1形成嵌合转录本)，研究发现这5个线粒体基因组中均存在orf108，这与之前的报道相一致。但在Diplotaxis catholica CMS株系中发现orf108是假基因， Brassica oxyrrhina CMS中该基因发生了非同义突变，orf108可能不是引起这两个株系雄性不育的基因。

结论

5个异质雄性不育系线粒体基因组的特征几乎相同，且都普遍存在重复序列。其在遗传上具有高度的保守性，在每个检测的线粒体基因组中均鉴定出MSSs，均含有候选的雄性不育基因

orf108。

分析转录组数据发现，特定的编码蛋白的基因、内含子和基因间区RNA的编辑模式都不相同，这与在甘蓝型油菜中观察到的模式恰好相反。就数据而言，虽然orf108 可能不是Brassica oxyrrhina 和 Diplotaxis catholica中引起雄性不育的基因，但该基因可能导致了另外3个株系的雄性不育。

文章索引

Wu et al. Mitochondrial genome and tranomeanalysis of five alloplasmic male-sterile lines in Brassica juncea. BMC Genomics, (2019) 20:348.

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