New Phytol | 多倍体小麦突变体中的同源基因表达显示出有限的转录补偿

摘要：全基因组复制（WGD）和杂交事件在植物进化中普遍存在，导致许多植物基因组中存在大量的重复基因。例如，作为全球主要粮食作物的普通小麦是异源六倍体，其基因组由三个二倍体祖先的亚基因组（A、B和D）融合而成。因此，小麦中的许多基因都以三个高度相似的拷贝存在，这些由多

全基因组复制（WGD）和杂交事件在植物进化中普遍存在，导致许多植物基因组中存在大量的重复基因。例如，作为全球主要粮食作物的普通小麦是异源六倍体，其基因组由三个二倍体祖先的亚基因组（A、B和D）融合而成。因此，小麦中的许多基因都以三个高度相似的拷贝存在，这些由多倍化产生的基因被称为“同源基因”（homoeologs）。这种遗传上的冗余带来了一种“表型稳健性”，即当一个同源基因拷贝因突变而失去功能时，其余的健康拷贝仍能正常表达，从而掩盖突变带来的表型效应，这种现象被称为功能冗余。虽然功能冗余增强了作物对有害突变的缓冲能力，但也给基因功能研究和作物育种带来了巨大挑战，因为单个基因的有利突变可能无法表现出来。

为了解释功能冗余的分子机制，学界提出了一种“主动转录补偿”（active transcriptional compensation）假说。该假说认为，当一个基因拷贝发生功能丧失性突变时，细胞内存在某种监测机制，能够感知到这种缺陷，并主动上调表达其他序列相似的同源基因或旁系同源基因，以弥补功能上的不足。这种机制已在斑马鱼、线虫等动物模型中得到证实，但在像小麦这样的复杂多倍体植物中是否普遍存在，仍然是一个悬而未决的科学问题。

英国约翰·英尼斯中心（John Innes Centre）的Philippa Borrill团队在植物科学领域权威期刊《New Phytologist》发表题为“Homoeolog expression in polyploid wheat mutants shows limited transcriptional compensation”的论文。该研究通过对六倍体和四倍体小麦的大量突变体进行转录组学分析，系统性地评估了同源基因间的转录补偿现象。研究结果表明，在小麦中，当一个同源基因拷贝发生功能丧失性突变时，其剩余的同源基因并不会普遍发生上调表达，表明主动转录补偿并非多倍体小麦功能冗余的主要机制，为理解多倍体作物的基因功能和指导分子育种提供了重要见解。

六倍体小麦中缺乏广泛的主动转录补偿 为了检验主动转录补偿假说，研究团队首先利用了普通小麦（六倍体）品种‘Cadenza’的化学诱变（EMS）TILLING突变体库。他们筛选了四个独立的突变株系，这些株系在不同的基因中携带一个提前终止密码子（PTC）突变。PTC突变通常会导致蛋白质翻译提前终止，产生无功能的截短蛋白，是典型的功能丧失性突变。研究人员通过RNA测序技术，比较了这些突变体与野生型植株中，发生突变的基因及其另外两个健康同源基因的表达水平（图1a）。

在四个突变株系中，研究团队共鉴定出158个包含PTC突变的同源基因组。分析发现，携带PTC突变的基因本身有20.6%到41.7%的比例表现出显著的表达下调，这可能是由“无义介导的mRNA降解”（NMD）机制引起的，该机制会清除含有PTC的异常转录本。然而，与主动转录补偿假说相悖的是，在这些突变体中，健康的同源基因并未表现出广泛的上调表达。在所有158个案例中，仅有4个（约2.5%）同源基因组中的一个或多个健康同源基因的表达量显著上调（图1b）。

为了排除这种低比例的上调是随机波动而非真实补偿机制的可能性，研究团队进行了一项关键的对照实验。他们分析了携带同义突变（不改变氨基酸序列，理论上不影响蛋白质功能）的基因及其同源基因的表达情况。结果显示，在携带同义突变的基因组中，其同源基因的上调比例（3.8%）与PTC突变组（2.5%）之间没有统计学上的显著差异（图1c）。这一结果有力地表明，在小麦中观察到的零星同源基因上调现象很可能只是基因表达的背景噪音，而非针对功能丧失突变的主动补偿反应。此外，研究团队还分析了另一个独立发表的六倍体小麦突变体转录组数据集，也得出了同样结论，进一步证实了该发现的普适性。

PTC突变位置不影响转录补偿的发生 研究团队进一步推测，PTC突变在基因编码序列中的位置可能会影响补偿反应的强度。例如，发生在基因前端的突变会导致蛋白质更严重的截短，理论上可能更容易触发补偿机制。为了验证这一假设，他们特意挑选了两个基因，这两个基因在不同的突变株系中分别带有位于编码区早期和晚期的PTC突变。通过对这些特定突变体进行基因表达分析，结果显示，无论是早期还是晚期的PTC突变，均未能诱导其同源基因的表达上调（图1d, e）。这表明，在小麦中，突变对蛋白质功能的破坏程度似乎与是否启动转录补偿无关。

四倍体小麦中同样缺乏主动转录补偿 考虑到六倍体小麦有三个同源基因拷贝，单个拷贝的功能丧失仅导致总功能转录本减少33%。研究团队假设，在只有两个同源基因拷贝的四倍体小麦中，单个拷贝的突变会导致50%的功能转录本损失，这种更大幅度的功能缺失可能会更容易触发补偿机制。

为此，他们对硬粒小麦（四倍体）品种‘Kronos’的TILLING突变体库进行了类似的转录组分析。在分析的101个携带PTC突变的同源基因组中，仅有3个（约3.0%）表现出健康同源基因的表达上调（图2a）。同样地，这一比例与同义突变组（1.5%）相比没有显著差异（图2b）。这一结果表明，即使在基因剂量损失更严重的情况下，主动转录补偿在小麦中依然是一个极为罕见的事件。

功能冗余与否均不依赖于主动转录补偿 为了探究主动转录补偿与基因功能冗余之间的直接联系，研究团队选择了两个已有功能研究的基因家族进行案例分析：PHS1和CSP41a。在四倍体小麦中，PHS1的两个同源基因（PHS1-A1和PHS1-B1）已被证明是功能冗余的，只有双突变体才会表现出淀粉颗粒形态异常的表型，而单突变体表型正常。与此相反，CSP41a的两个同源基因则是非冗余的，仅CSP41a-A的突变就足以导致植株抗病性增强。

研究人员分析了这两个基因家族的单突变体的基因表达。结果显示，在功能冗余的PHS1基因中，当一个同源基因被突变后，另一个健康的同源基因表达量并未上调（图2c）。同样，在非冗余的CSP41a基因中，也未观察到转录补偿现象（图2d）。这一结果清晰地表明，同源基因之间的功能冗余关系并非由主动转录补偿机制所介导。

本研究通过对六倍体和四倍体小麦的大规模转录组数据进行严谨分析，得出了一个明确的结论：主动转录补偿在多倍体小麦中是一种非常罕见的现象，其发生频率仅为2.5-3.3%，与随机波动的水平无异。这表明，在小麦中，由单个同源基因功能丧失所引发的广泛表型稳健性（功能冗余），并非依赖于其他同源基因的主动表达上调。

研究者们据此提出了“被动补偿”（passive compensation）模型作为更合理的解释。在多倍体小麦中，由于其同源基因在进化上相对年轻，序列和表达模式高度相似，即使一个拷贝失活，剩余的一个（四倍体）或两个（六倍体）拷贝所产生的转录本总量（即野生型的50%或67%）已经足以维持正常的生理功能，从而实现“被动”的功能互补。

这项研究的发现对于作物遗传学和育种实践具有重要指导意义。它意味着，那些试图通过抑制补偿机制来打破基因冗余、从而释放隐藏遗传变异的育种策略（这些策略可能在动物中有效），在小麦等作物中可能行不通。相反，为了实现对农艺性状的有效改良，未来的育种策略应更侧重于能够同时编辑或沉默所有同源基因的技术，例如CRISPR/Cas9基因编辑技术和RNA干扰（RNAi）技术。这项工作不仅加深了我们对多倍体基因组进化和基因表达调控的理解，也为更高效、更精准的作物遗传改良指明了方向。