引起杂交坏死和传粉者隔离的紧密遗传连锁

导致表型多样化和最终物种形成的生殖隔离机制是进化研究的一个主要课题。杂交坏死（Hybrid necrosis，HN）是一种合子后分离机制。在植物中，许多报告的案例是由两个或更多位点等位基因之间有害的上位相互作用引起的。HN 通常涉及编码免疫系统组件的基因。例如，许多报道的拟南芥 HN 例子是由于核苷酸结合域富含亮氨酸重复 (leucine-rich repeat，NLR) 蛋白的不当组合造成的，这些蛋白是植物和脊椎动物免疫系统的关键组成。在植物中，传粉者介导的隔离（pollinator-mediated isolation）构成了一个重要的合子前隔离屏障。不同类别的传粉者对颜色、形态、气味和花蜜生产等性状的偏好被认为是被子植物快速多样化的驱动力。然而，传粉者对花型的偏好很少是绝对的，并且经常观察到（初期）物种之间的杂交。因此，植物物种形成通常涉及多种生殖障碍的积累。

近日，来自瑞士伯尔尼大学Cris Kuhlemeier课题组在Nature plants上发表了题为Tight genetic linkage of genes causing hybrid necrosis and pollinator isolation between young species的研究论文，报道了两种矮牵牛P. axillaris 和 P. exserta 杂交引起NH的例子。P. axillaris广泛分布于南美洲南部，而 P. exserta 是一种高度特有的物种，仅在巴西南里奥格兰德州瓜里塔斯地区的阴凉处发现。杂交后代坏死症状与位于 2 号染色体和 7 号染色体上的两个基因座之间的有害组合有关。作者发现 2 号染色体上的基因座编码 ChiA1，这是一种双功能几丁质酶/溶菌酶。

渐渗系 IL5 来源于天蛾授粉的 P. axillaris N 和蜂鸟授粉的 P. exserta 之间的杂交。它在 2 号染色体上分离 P. axillaris 低重组区域，否则 P. exserta 背景。IL5-Ax和IL5-Ex是IL5的分离后代。IL5-Ax表现出严重影响生长和花产量的坏死症状，IL5-Ex植株表现正常。在杂合植株 (IL5-Het) 中也观察到了这些症状，但比 IL5-Ax 植物中的症状要轻，表明半显性（图 1）。

图1. IL5显示坏死症状

作者生成了来自 P. axillaris N 和 P. exserta 的互交 F2 群体，以剖析 HN 的遗传结构。两个群体都显示大约四分之三的植株没有表现出症状，而四分之一的植株表现出症状，表明控制 HN 的位点是核位点（图 2）。BSR-seq结果显示，在 2 号和 7 号染色体上检测到与坏死表型相关的强信号（图2）。这两个位点分别被命名为 HNe2 和 HNe7。根据 IL5-Ax 的基因组成推断，坏死表型是由 HNe2 处的 P. axillaris N 等位基因和 HNe7 处的 P. exserta 等位基因的组合导致的。

图2. HN性状的遗传定位

作者通过IL5-Het.的重组单株将2号染色体上的位点缩小到一个1.74 Mb的区域。根据基因表达确定了4个候选基因，ChiA1, ChiA2, FMO1 和CNGC1。通过VIGS，作者发现只有沉默ChiA1才能使坏死表型明显减少。ChiA1 含有糖苷水解酶 18 (GH18) 结构域和分泌信号肽，可能是一种双功能酶，可消化几丁质和肽聚糖。但是进一步的实验表明坏死症状是一种不依赖于 ChiA1 酶活性的自身免疫病例。为了更好地理解 IL5-Ax 中免疫系统激活的潜在机制，作者筛选了 IL5-Ax 和 IL5-Ex 之间 1,717 个差异表达基因的启动子以寻找保守的顺式元件。发现WRKY 结合位点存在于 60% 的 DEG 启动子中。进一步分析作者得出结论，WRKY18 的 ChiA1 依赖性诱导诱导坏死症状。

图3. P. axillaris 和 P. exserta 之间预测的合子前和合子后屏障的相互作用。

总的来说，该研究在 P. axillaris 和 P. exserta 之间的杂交中发现了一个 HN 案例，该案例依赖于 HNe2 和 HNe7 基因座之间有害的上位相互作用（图 3）。HNe2 位点的基因是 ChiA1，它编码一种具有几丁质酶和溶菌酶活性的蛋白质。ChiA1Ax 等位基因编码一种功能性酶，而 ChiA1Ex 具有导致过早终止密码子的无义突变。

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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