2019-08-28
最近，派森諾生物與華中農業大學合作，在《BMC Genomics》（影響因子3.501）發表新一期研究論文，提出了異質系細胞質雄性不育（Cytoplasmic male sterility, CMS）的一致性，為進一步研究雄性不育基因的特性奠定了基礎。
研究背景
異質系是核基因組與野生細胞質結合形成的細胞質雄性不育系。在本研究中，我們對蕓苔屬五種異質系的線粒體進行基因組和轉錄組測序，通過基因組間序列的比較來闡明序列重排，進行系統發育分析，發現雄性不育的候選基因。轉錄組分析以基因組序列為基礎，不僅對蛋白質編碼基因和特異ORFs的全基因組進行表達分析，而且能夠對常見的RNA編輯進行分析。
研究方法
實驗材料：5個回交多代的雄性不育系（Brassica oxyrrhina, Diplotaxis berthautii, Diplotaxis erucoides，Diplotaxis catholica和 Moricandia arvensis）；
測序技術：Illumina MiSeq+Pacbio RSII、 Illumina X Ten高通量測序平臺；
測序模式：對獲得的CMS線粒體進行轉錄組和基因組測序。?
研究結果
5個線粒體基因組的GC含量均在45%左右，大小在220-257kb之間（基因組圈圖如圖1所示）。注釋結果表明：Diplotaxis catholica CMS株系缺少rps7基因（如表1所示）。
圖1 蕓苔屬5個異質雄性不育系線粒體基因組圈圖
重復序列在五個線粒體基因組的含量從3.74%到8.53%不等，其中Moricandia arvensis CMS株系的一個11.0kb的重復序列導致其序列擴張。除Brassica oxyrrhina CMS株系以外，其余4個樣本每個都至少包含一個大的重復序列。在這些重復序列中小重復序列的種類最豐富，短串聯重復序列的長度范圍為12bp-59bp。
表1 蕓苔屬5個異質雄性不育系線粒體的基因組序列特征
文獻表明十字花科植物的線粒體基因組序列同源性很高。以Brassica juncea var. yejiecai為參考基因組，與5個線粒體基因組進行比較分析。發現雖然線粒體基因組間的序列具有很高的同源性，但存在大量的片段倒置和重排(如圖2)。
圖2 蕓苔草線粒體基因組與異質線粒體基因組的比較序列分析
圖3 每個異質線粒體基因組與蕓苔草線粒體基因組之間snp和Indels的分布
以Brassica juncea var. yejiecai的線粒體序列為參考基因組，鑒定5個線粒體基因組的SNP和Indel序列。結果表明， SNP和Indel的數量和密度在不同的線粒體中存在一定差異（如圖3所示）。與此同時也鑒定出大量的Indel且位于基因間區的Indel較少（如表2）。
表2 異質線粒體基因組與蕓苔草線粒體基因組的SNP數比較
對常見栽培的蕓苔屬植物、蕓苔科野生親緣植物和其他三種細胞質雄性不育系等24個線粒體基因組的23個保守基因構建進化樹（如圖4）。結果表明Diplotaxis berthautii CMS和Diplotaxis erucoides CMS與Eruca vesicaria subsp. Sativa比較近源，而Diplotaxis catholica CMS與Sinapis arvensis由同一個祖先進化而來，與Brassica oxyrrhina CMS較為近源。
圖4 異質線粒體基因組序列與十字花科其他線粒體基因組序列的最大似然樹
通過轉錄組測序分析確定了平均364個RNA編輯位點位于異質編碼蛋白的基因，81個位于在基因間區（如表3）。研究確定了Brassica oxyrrhina CMS和 Diplotaxis catholica CMS中某些編輯位點，如ccmFc、cox2、nad2和rpl2的內含子區域，而在其他三個異質系中沒有發現類似的編輯位點。
表3 每個線粒體基因組的RNA編輯圖譜
對所有5個五個異源質體的有絲分裂特異性序列（mitotype-specific sequences，MSSs）進行檢測發現，這些異源質體均來自于蕓苔屬植物的正常細胞質。Brassica oxyrrhina CMS和Moricandica arvensis CMS的MSSs分別為44.5 kb和 43.2 kb，而另外三個株系MSSs的平均大小為37.2kb。這些MSSs片段大部分鄰近或包含重復序列，這意味著線粒體基因組可能在兩種不同的有絲分裂類型共存期間通過重復序列進行序列重排。據報道，MSSs中某些特殊的ORFs與雄性不育基因有關。MSSs中與編碼基因相鄰的一些ORFs被特異性轉錄，尤其是候選雄性不育基因orf108(與atp1形成嵌合轉錄本)，研究發現這5個線粒體基因組中均存在orf108，這與之前的報道相一致。但在Diplotaxis catholica CMS株系中發現orf108是假基因， Brassica oxyrrhina CMS中該基因發生了非同義突變，orf108可能不是引起這兩個株系雄性不育的基因。
結論
5個異質雄性不育系線粒體基因組的特征幾乎相同，且都普遍存在重復序列。其在遺傳上具有高度的保守性，在每個檢測的線粒體基因組中均鑒定出MSSs，均含有候選的雄性不育基因
orf108。
分析轉錄組數據發現，特定的編碼蛋白的基因、內含子和基因間區RNA的編輯模式都不相同，這與在甘藍型油菜中觀察到的模式恰好相反。就數據而言，雖然orf108 可能不是Brassica oxyrrhina 和 Diplotaxis catholica中引起雄性不育的基因，但該基因可能導致了另外3個株系的雄性不育。
文章索引
Wu et al. Mitochondrial genome and transcriptomeanalysis of five alloplasmic male-sterile lines in Brassica juncea. BMC Genomics, (2019) 20:348.
