摘要：在长期的内共生演化过程中，细胞核和胞质细胞器通过复杂的信息交流形成了紧密的互作关系，对真核生物的适应性进化和表型塑造起到了重要作用。自然界广泛存在的异源多倍体植（作）物其核质互作关系更为复杂，需要解决非母方来源的核亚基因组与单一母系遗传的细胞器基因组之间潜在的

在长期的内共生演化过程中，细胞核和胞质细胞器通过复杂的信息交流形成了紧密的互作关系，对真核生物的适应性进化和表型塑造起到了重要作用。自然界广泛存在的异源多倍体植（作）物其核质互作关系更为复杂，需要解决非母方来源的核亚基因组与单一母系遗传的细胞器基因组之间潜在的不兼容性问题；过往的研究以细胞器靶向性（NOT）基因为切入点，从基因序列和转录表达等层面明确了核质协同进化对其不兼容性的调和作用。然而，核质协同进化的基础理论模型仍需补充完善，如：细胞器来源的核质不兼容性选择压力其影响因素尚不明确，其与核质协同响应之间的关系还仍有待阐明；同时，核质互作协同响应的分子调控基础也尚未解析。

近日，东北师范大学宫磊教授团队在PNAS上发表了题为Organellar genome divergence and environmental stress induce transcriptional cytonuclear responses in wheat alloplasmic hybrids的研究论文，利用Tsunewaki Koichiro教授创制的以中国春小麦为细胞核底盘的小麦/山羊草属物种胞质替换系材料，揭示了细胞器基因组分化程度与环境胁迫对核质协同转录响应的影响，为异源多倍体作物核质协同进化理论提供了新见解。

该研究首先通过系统发育分析验证了不同核质替换系材料的细胞器基因组来源及核基因组纯度（图1A-B）。其次，转录组分析发现，在携带远缘D/D*谱系细胞器的核质替换系中，核亚基因组倾向于优先表达细胞器供体亲本同源的D亚基因组部分同源基因，而近缘B谱系细胞器的导入并未引发响应亚基因组的转录偏倚模式（图1C）。该现象表明，细胞器与核基因组的遗传距离是核质转录协同响应的重要决定因素。值得注意，高光胁迫处理可显著诱导D谱系细胞器影响下的核D亚基因组的转录偏倚（图1C-D），暗示环境胁迫可能通过细胞器逆向信号通路放大核质互作的选择压力。最后，基于CS-Aegilops juvenalis（2D2 型）核质替核质替换系的甲基化组分析发现，高光胁迫后D亚基因组NOT基因转录起始区（TSS）CG位点的DNA甲基化水平显著降低（图1E-G），这表明表观遗传修饰可能通过激活特定亚基因组同源基因的表达来维持转录水平的核质兼容。这一发现为表观调控参与异源多倍体化背景下的核质协同提供了直接证据。

综上所述，该研究揭示了细胞器基因组分化程度与环境胁迫可共同驱动核质转录协同响应，并暗示表观遗传调控可能是维持异源多倍体作物核质兼容性的重要分子开关。该工作不仅拓展了核质协同进化理论，也为利用核质互作提升异源多倍体作物环境适应性提供了新思路。

东北师范大学为论文第一完成单位，张志斌副教授和宫磊教授为共同通讯作者，博士生赵越、张可人博士和李过博士为论文共同第一作者。美国爱荷华州立大学Jonathan F. Wendel教授、中国农业大学倪中福教授、东北师范大学刘宝教授为本研究提供了重要指导和大力支持。本研究得到国家科技计划项目科技创新2030-重大项目、国家自然科学基金等项目的资助。

该团队一直致力于杂交加倍背景下的核质协同互作研究，以第一作者单位发表系列论文，包括PNAS（2023,2022）（DOI:10.1073/pnas.2310881120），(DOI:10.1073/pnas.2200106119)，Molecular Biology and Evolution (2022)(DOI:10.1093/molbev/msac228)。

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来源：科学小能