Mol. Biol. Evol | 基因组所汪鸿儒团队破译“自私超基因”的传播规律

近日，《分子生物学与进化（Molecular Biology and Evolution）》（IF=11.0）杂志在线发表了中国农业科学院深圳农业基因组研究所（岭南现代农业科学与技术广东省实验室深圳分中心，以下简称“基因组所”）汪鸿儒团队与巴黎萨克雷大学Léo Planche博士、俄罗斯国家研究型高等经济大学Vladimir Shchur教授，以及美国加州大学伯克利分校Rasmus Nilsen教授的合作论文，题为“Selfing promotes spread and introgression of segregation distorters in hermaphroditic plants”。该研究对植物中大量已发表的雄性不育杂种不亲和位点进行理论研究，指出这些位点的遗传本质是一种孟德尔分离畸变因子。研究进一步证明了：（1）雌雄同花植物系统中，自交有利于这类位点的传播，而之前领域内一直认为自交是阻止这类位点传播的机制；（2）更正并且阐明了这些位点在稻属中的演化历史，发现这些位点经常跨越物种边界。由此，该研究揭示出一个反直觉的结论：很多杂种不亲和的位点，反而容易跨越物种边界。

孟德尔分离定律是遗传学的一个基本规律，该定律指出任意一个遗传位点上的两个等位基因会以50%:50%的比例传递给后代。然而，基因组上往往存在孟德尔分离畸变因子（SD），这类因子会扭曲孟德尔分离比，以超过50%的概率遗传给后代。SD被认为是基因组上“自私基因”，因为它们即使对宿主有害（如造成雄性不育杂种不亲和），也可以在中种群中快速传播。SD广泛存在于各种生命系统的基因组中，包括哺乳动物、植物、真菌等。

近期的分子遗传学研究揭示，SD往往有两个或更多基因构成，形成“毒药-解药”模型。它们通过“毒药”杀死其它等位基因，而通过“解药”使自己免疫。针对这类“自私”、往往有害的因子，宿主也演化出一系列机制，对其进行反制。一直以来，研究者认为自交可以阻止这类因子在群体中的传播，自交可能是宿主演化出来抑制基因组内自私基因传播的机制。

本研究基于植物中大量已经发现的SD系统，并基于雌雄同花植物，构建了遗传模型，进行了数据模拟研究。证明了在该系统中，自交反而促进SD的传播。模拟研究揭示自交对SD传播的促进作用主要通过两个机制来实现：（1）自交降低了“毒药”和“解药”基因之间的有效重组率；（2）自交通过“局部花粉富集”效应增加了每个花朵中SD等位基因的比例，而这两个因素全部都有利于SD的传播。研究进一步揭示，SD在自交物种中的传播依赖于初始基因频率，较高基因频率有利于SD的传播。而这一结果暗示，SD很难通过一个新突变从群体中演化，反而很容易出现在群体杂交过程中，以杂种不亲和位点的形式（Bateson-Dobzhansky-Muller incompatibility）出现。

最后，研究对水稻中已发表的雄性不亲和杂种不亲和位点进行分析，发现所有的位点都经历过遗传渐渗，修正了之前对于这些位点在稻属中演化历史的认识。这些水稻中实证性数据也和上述理论模型高度吻合，证明SD在类似于水稻的雌雄同花植物中能够传播，并且经常穿越物种的边界。

水稻中大量雄性不育杂种不亲和位点都发生了遗传渐渗

综上所述，本研究对植物中杂种不亲和位点的重要研究进展进行了总结和理论提炼，结合数据模拟和稻属数据进化分析，证明自交会促进孟德尔分离畸变因子（SD）在雌雄同花植物种群中的传播，因此得出一个有趣而反直觉的结论：很多杂种不亲和的位点，反而容易跨越物种边界。

基因组所汪鸿儒研究员为该论文的第一作者兼通讯作者，加州大学伯克利分校Rasmus Nilsen教授为共同通讯作者。该工作获得了大鹏湾实验室建设经费、中科院青藏高原所开放研究基金以及美国NIH基金会以及俄罗斯国家研究型高等经济大学基础研究计划的资助。

原文链接：

https://academic.oup.com/mbe/article/41/7/msae132/7700362