植物性染色体进化(中英).doc

植物性染色体进化A cytogenetic view of sex chromosome evolution in plantsS.J. Armstronga D.A. Filatov baSchool of Biosciences, University of Birmingham, Birmingham ,bDepartment of Plant Sciences, University of Oxford, Oxford (UK) 车先丽 摘要(Abstract) 近年来兴起的植物性染色体研究，给早期阶段性染色体进化的研究提供了可能性。本文着重从细胞遗传学方面分析植物性染色体的进化，特别是叉枝蝇子草的性染色体进化。我们通过植物性染色体的电镜照片，来更清楚的理解动植物性染色体进化的相似性及差异性。像哺乳动物，叉枝蝇子草的X染色体和Y染色体之间的重组抑制确实存在，但是，没有证据证明叉枝蝇子草的Y染色体阻碍了X染色体与Y染色体之间的重组。其次，与有记录的哺乳动物性染色体不同的是，叉枝蝇子草中并没有Y染色体有遗传变异的证据。来自不同植物的性染色体分离的基因显示，叉枝蝇子草的Y染色体的显示方式不同于其他雌雄异株植物。通过荧光原位杂交技术获得更多的植物性连锁基因和他们的遗传图谱，将让我们更好的理解植物性染色体进化历程。正文 植物性染色体进化雌雄异株(Dioecy)在植物中是相对少的(e.g. Renner and Rickelfs, 1995)，只占总数的5-10。而且，已知的雌雄异株植物中，只有少数含有细胞学上可区分的性染色体(Ainsworth, 1999)。不同植物中性染色体的独立演化引发我们思考多起源的染色体是如何独立演化的(Bull, 1983)。与哺乳动物不同，植物各物种间的交配及性别决定系统往往是变化的。通常，同属植物会有雌雄异株(hermaphroditic)、雌雄两性花异株(gynodioecious)、雌雄同株(dioecious)，雌雄异株中又有带有可区分性染色体和不可区分性染色体之分，如酸模属(Rumex)和蝇子草属 (Silene)(e.g. Charlesworth, 2002)。这样，就可以通过比较同属间不同种植物来研究性染色体进化的不同阶段。 植物性染色体的后期进化已经在叉枝蝇子草(S.latifolia)和酸模(R.acetosa)中有过描述(Navajas-Perez et al., 2005)，而这些植物的细胞学水平上性染色体特征也已有清楚描述。在大麻 (Cannabis sativa)(Mackay, 1939; Ainsworth, 1999)、啤酒花 (Humulus lupulus)(Neve, 1958)、银杏(Ginkgo biloba)(Pollock, 1957)、美洲鹅掌楸 (poplar)(van Buijtenen and Einspahr, 1959) 中，异型性染色体也有报道。但这些植物的性染色体研究远少于酸模属和蝇子草属植物。而在银杏和美洲鹅掌楸中，性染色体是否存在还有争议。新进派研究者(1954)认为雄株银杏(G.biloba)是形成两种胚种细胞的，且其性染色体是最大一对染色体。与新进派研究者的理论相反，根据Lee (1954)的报道，雌雄两性银杏(Ginkgo)核型的唯一不同点是一个小染色体的随体的存在与否。Pollock (1957)认可Lee (1954)的结论并提出带有随体(satellite)的染色体是X染色体，而来自雄株的带有随体的染色体为Y染色体。然而，这些文章都只研究了少数几种植物。雄株银杏(Ginkgo)中异型染色体的存在可能是因为染色体重组而导致的杂合性，就像在许多其他植物中常见的染色体倒位重组。同样，美洲鹅掌楸(poplar)性染色体的细胞学观察也是矛盾的(e.g. van Buijtenen and Einspahr, 1959)。有趣的是，最近的美洲鹅掌楸基因测序和通过基因组的重组频率分析揭示美洲鹅掌楸抑制重组的基因长度只有700kb。加上其他染色体和同源物的重组，意味着有相当大的拟常染色体区(pseudoautosomal regions)。然而，有关美洲鹅掌楸性染色体的存在与否的基因组证据一般依靠未公开出版的结果和个人通讯获得，这也值得关注(Ingvarsson, personal communication; also see Ming and Moore, 2007)。大多数其他雌雄异株植物也有性染色体，但它们是同型(homomorphic)或几乎同型的。木瓜(papaya)(Liu etal., 2004)、猕猴桃(kiwi fruit)(Harvey et al., 1997; He et al., 2003)、芦笋（asparagus）(Telgmann-Rauber et al., 2007)性染色体的存在都有学者提出过。这些植物都是农业生产中非常重要的，可以推断，如果同样的工作被大量推广到其他雌雄异株植物，同形或异形性染色体也将大量被发现。越来越多的雌雄异株植物的基因组数据证明存在一个包含有性别决定基因的重组抑制区，也就是Y染色体。最近，木瓜的同型性染色体已经被部分测序(Liu et al., 2004; Ming and Moore, 2007; Yu et al., 2007)。同时，叶苔植物地钱（Marchantia polymorpha）的Y染色体几乎完整的序列也已获得(Ya mato et al., 2007)。芦笋 （Asparagus）(Jamsari etal., 2004; Telgmann-Rauber et al., 2007)、酸模（Salix）(Semerikov etal., 2003)、猕猴桃（kiwi fruit）(M. McNeillage, personal communication) 的隔离群和性别决定序列的遗传工作也正在进行中。虽然我们逐渐积累了一些来自不同植物的分子遗传学数据，但通过这些信息来获得进化观点还非常困难。一个合情理的分子进化分析需要比较位于X染色体和Y染色体的同源序列。同源性连锁基因沉默位点的趋异性让我们可以推断性染色体的年代。不幸的是，这些有价值的信息只局限于叉枝蝇子草 （Silene latifolia）(Filatov and Charlesworth, 2002; Nicolas et al., 2005)、木瓜（Carica papaya）(Yu et al., 2007)、和地钱（Marchantia polymorpha）(Yamato et al., 2007)。大多数的基因研究表明，地钱（M. polymorpha）X Y染色体的沉默趋异超过50（有的甚至到达100），由此可知，地钱（Marchantia）的性染色体可能非常古老。叉枝蝇子草（Silene latifolia）的性染色体要比地钱（ Marchantia）的年轻许多（10万年左右）（Nicolas et al., 2005)，木瓜的同型性染色体只有1到2百万年历史(Yu et al., 2007)。这样，根据其他植物的性染色体，同型或异型的，来推测异型性染色体进化是否只是一个时间问题。蝇子草属性染色体进化叉枝蝇子草的性染色体研究已经有几十年的历史了(e.g. Westergaard, 1958)，现在，仍然有好几个实验室在积极研究(Moore et al., 2003; Vyskot and Hobza, 2004; Filatov, 2005a, b, c; Matsunaga, 2006; Bergero et al., 2007)。这样，比起其他的植物性染色体，我们有更多关于它的研究图片。下面，我们简单讨论一下一些物种的有用信息，包括未公开的成果和以后可能的研究方向，来拓展我们对植物性染色体进化的认识。蝇子草属（Silene）呈现了植物性染色体独立进化的部分。这个属包含了700多种植物，它们绝大多数是雌雄同株或雌花两性花异株的，也就是说没有雌雄株分开的。在蝇子草属（Silene），只有两簇是雌雄异株的。研究的最好的，包括大花组（Elisanthe）的部分植物，即5种都有性染色体且亲缘关系很近的的植物：叉枝蝇子草（S. latifolia）、红色剪秋罗（S. dioica）、S. diclinis, S. marizii 和 S. heuffelii。另一个明显的雌雄异株独立演化出现在 S. otites 中(Desfeux et al., 1996)，虽然此植物的性染色体的存在还存有争议(Westergaard, 1958)。在一个大多数没有雌雄异株的族里出现少数几种雌雄异株植物，那么，解释这种雌雄异株现象最可能的来源就是派生了。性别决定和性染色体进化的关键模式物种雪白麦瓶草（Elisanthe）和叉枝蝇子草（S. latifolia）。虽然我们知道叉枝蝇子草（S.latifolia）的XY染色体很可能从一对同源常染色体进化而来(Filatov, 2005c)，但是，在这个转化过程中详细的染色体结构变化还是未知的。叉枝蝇子草（S. latifolia）染色体的形态结构特别值得一提的是，叉枝蝇子草（S. latifolia）之所以一直都是细胞遗传学研究的重要物种(e.g. Westergaard, 1958)，其中一部分原因就是它在细胞学水平上清晰可见的性染色体。雄叉枝蝇子草（S. latifolia）都是异配（heterogametic）互补的2n=24(22+XY)型，而雌叉枝蝇子草是同配（homogametic）核型2n=24(22+XX)。最近研究获得的3个叉枝蝇子草（S. latifolia）的性染色体形态图片显示，Y染色体是雄性染色体中最大的互补染色体。约占整个基因组的15，比X染色体大38(Harwood and Armstrong, unpublished)。核型分析的最大难点在于缺乏清晰地标记。除了大的性染色体，其他的都没有引人瞩目的的标记，不管是中着丝粒或近中着丝粒都大小一样。Grabowska-Joachimiak和Joachimiak做的叉枝蝇子草（S. latifolia）和 S. dioica的C带（C banding）分析展示了一个C带下的11个常染色体外的六个，其X染色体有两个亚端着丝粒染色体带，每带联会一条染色体臂(2002)。而Y染色体只有一个亚端着丝粒染色体带，并与较长的q臂联合。有研究者指出在Y染色体中发现有近似中着丝粒染色体（(centromeric index CI is 47.60)），但他们也不确定在传统命名法中这单个带的位置。有报道说X染色体的着丝粒指数为44.81，由此可见，p、q臂的区分将有可能。导致性染色体不确定性的部分原因是由于常规的细胞遗传学研究方法造成的，但却由于缺乏清晰的有丝分裂图片和重叠染色体而更加困难。获得有丝分裂图像曾经依靠萌发的种子和根尖分生区，而获得中期分裂细胞的方法包括将根尖放入冰水中(Grabowska-Joachimiak and Joachimiak, 2002)，或者将细胞同时用芽肠毒素处理，随后用安磺灵处理(Lengerova etal., 2004)，积累中期分裂相细胞。基于已经研发的芸薹属（ Brassica）和拟南芥（Arabidopsis）植物的细胞遗传学分析技术，我们已经接近获得蝇子草属（Silene）植物的有丝分裂中期图片的技术要求(Armstrong et al., 1998; Fransz et al.,1998)。过去的十年，在应用分子遗传学和分子生物学研究拟南芥的减数分裂中，我们已经取得一系列的技术、资源突破。我们使现有的适用于拟南芥（Arabidopsis）和芸薹属（Brassica）植物的技术适用于蝇子草属（Silene），这将让我们可以得到完全的能出现高质量的各个阶段的染色体。减数分裂前期的早期的花药有丝分裂产生染色体不需要经过染色体固缩( Fig. 1 )。同时我们发现，此方法还能得到种子萌发的减晚期和减中期染色体图片( Fig. 2 )。这项技术使我们能够分清减数、有丝分裂间期配对的Y染色体。我们的研究发现，与非配对区的浓缩固定相比，Y染色体的配对区出现松散状( Fig. 1 , 3 )。利用这个标记，我们检测了30个细胞，发现浓缩区的尾部连着Y染色体的短臂，而非浓缩区连接的是长臂。荧光原位杂交技术（FISH）20年来的发展证明它在植物单拷贝或重复序列及通过染色体特异性探针得到分子细胞遗传学图谱方面都是非常有用的。高度重复的同源DNA序列，如来自小麦（riticum aestivum）的45S rDNA探针（probe），拟南芥（Arabidopsis thaliana）的5s rDNA探针(Armstrong et al., 1998)，蝇子草属的X43.1探针，已被好几个研究小组利用(Bzek et al., 1997; Lengerova et al., 2004; Howell et al., unpublished)。如图三（Fig. 3）所示为叉枝蝇子草（S. latifolia）的有丝分裂、减数分裂间期的45S rDNA和X43.1的杂交。常染色体亚端粒、两个X染色体亚端粒及Y配对的X染色体亚端粒与探针的杂交情况都能看到。通过此探针可以肯定，Y染色体浓缩区包含了配对区或者说是假常染色体区( Fig. 3)。荧光原位杂交技术（FISH）在来自蝇子草属（Silene）的单拷贝基因的数目，特别是与X性染色体连锁的基因上的成功应用还很少。那是因为单拷贝产生的探针太小，不能给目前的图像分析系统一个可被检测到的信号。大片段克隆DNA插入技术的运用，比如细菌人工染色体和黏粒，就是非常好的代替方式。因为细菌人工染色体（BACs）有大约100个kb的大目标，而黏粒（cosmids/fosmids）中也有40kb。大片段探针插入的运用(e.g. Silene , Brassica )，可能会导致的问题是所有的染色体可能被可能存在于大片段探针的重复家族序列标记。在芸薹属中，这个问题通过细菌人工染色体杂交结合在染色体复制间期加入过量的重复DNA片段来让重复序列被丢失而不能标记染色体来解决(Howell et al., 2002)。同样的方法可以用于蝇子草属植物中。一个荧光原位杂交技术(FISH)成功应用的例子是一个包含3DD44Y的探针一个更大的基因组克隆的一部分，共有18kb(Moore et al., 2003)。应用此克隆作为荧光原位杂交技术(FISH)探针的报道称，DD44X与DD44Y基因位于XY染色体的末端，与性染色体重组末端相反(e.g. Lengerova et al., 2003)。这多少有点让人意外。因为在已知的基因图谱上，DD44X位于图谱中间，非常靠近SlessX且紧邻SLX1和假常染色体区的区域(Filatov, 2005c; Nicolas et al., 2005; Bergero et al., 2007)，即X染色体的末端，与之前Lengerova等人提出的看法相反(2003)。这种不一致可能是由于DD44Y探针与这个相当大的18kb的克隆基因里的其他序列杂交而造成的。这提示我们，用更小的、只含有所需的基因的荧光原位杂交技术(FISH)探针的重要性。技术的改进，已经让我们成功的在芸苔属(Brassica)植物中将一个无重复序列的探针的大小降到5kb(Howell et al., 2002)。我们正在通过远程PCR(long-range PCR)技术生成荧光原位杂交技术(FISH)探针，来创建所有叉枝蝇子草(S. latifolia)的性连锁基因细胞遗传信息库。荧光原位杂交技术(FISH)有助于我们更准确地认识叉枝蝇子草(S. latifolia)的核型和它的近亲属。如前所述，叉枝蝇子草(S. latifolia)的核型展示了相似的染色体，它们并没有独特的带型(Grabowska-Joachimiak and Joachimiak, 2002)。Lengerova和他的同事用45S rDNA、5SrDNA、X43.1和BACs联合探针识别了单个染色体。重复的荧光原位杂交技术(FISH)和基因探针已经正确定位了XY染色体的配对区(Lengerova et al., 2003)。Westergaard (1940)用传统遗传学方法证明XY染色体的配对区在两染色体之一的末端，此区域也曾被称为假常染色体区(PAR)。而且他曾进一步推断，XY染色体的配对区在长臂末端。由于自然情况下减数分裂中期染色体是最浓缩的，所以几乎不可能分清染色体臂。目前的荧光原位杂交技术(FISH)探针表明X染色体短臂区是假常染色体区，而较大的Y染色体长臂上也有它自己的假常染色体区(Lengerova et al., 2003; Howell et al., unpublished)。染色体重组在蝇子草属(Silene)植物性染色体进化中的角色Ohno (1967)曾经认为哺乳动物的性染色体起源于配对的常染色体。这种演化为性染色体的配对常染色体首先限制小片段的重复，然后通过大规模的染色体重组来获得大的重组区域。如通过倒位、易位、重复得到大基因组的差异，并且出现了异型性染色体。最近的工作已经确认了这一观点(Lahn et al., 2001; Graves, 2006)。可以推断，蝇子草属(Silene)植物性染色体的形成方式也像人类那样(Filatov, 2005c; Nicolas et al., 2005)。由于XY染色体之间的重组逐步停止，异型性染色体的进化并没有得到很好的研究。倒位，是防止两个同源染色体重组最明显的方式。确实有证据表明，哺乳动物性染色体进化的某些阶段倒位和重组相一致(REF)。对植物来说，也有证据证明蝇子草属(Silene)植物的性染色体可能被倒位过(Filatov, 2005c; Hobza et al., 2007; Bergero et al., submitted)。然而，没有证据表明，这种倒位在重组中止中发挥作用。事实上，蝇子草属(Silene)植物的染色体倒位发生在重组后。所以，倒位不可能在抑制XY染色体重组组发挥作用(Bergero et al., submitted)。这与缺失导致早期雄性不育能让XY配对的结果相符(Zluvova et al., 2007)。在减数分裂(meiotic)过程中，性染色体有组织的进行一系列的限制，是为了得到可以平衡单倍体的染色体。细胞必须保证在假常染色体区形成必要的交叉，来让XY染色体均等分离。同时，它必须抑制染色体外源片段的联会和重组。在人和老鼠中，参与这一过程的机制均有一定程度的研究，但在植物性染色体进化方面并没有更多的有价值的信息。对人类性染色体的减数分裂过程，在PAR中一旦性染色体联会，它们就会生成分隔的功能区性小囊，而导致减数分裂性染色体失活。组蛋白修饰也与转录失活有关，研究表明，虽然减数分裂粗线期后没有H3-H4甲基化的总体变化但，在组蛋白H3-H4中有大规模的脱乙酰基化，在组蛋白H3中也有赖氨酸甲基化(Khalil et al., 2004)。目前Turner (2005)等证明XY染色体的非联会染色质recruied BRCA1、ATR和Rh2AX导致了转录沉默。与哺乳动物相比，植物性染色体的研究较少。这是因为与哺乳动物不同，植物性染色体是整个染色体组中最大的染色体。比如说在叉枝蝇子草中，Y染色体是最大的，X染色体排第二。而在哺乳动物中恰恰相反，Y染色体是最小的染色体。在叉枝蝇子草(S. latifolia)的XY染色体中，像哺乳动物一样，有一个小的重组区，约占Y染色体长度的10。目前我们还无法了解减数分裂早期的配对程度，不过，我们正在使用电镜研究配对区的超微结构，如减数分裂粗线期的联会复合体。这项工作已在我们实验室开展，蝇子草属(Silene)植物的性染色体的分裂行为也许会给我们不同寻常的数据，在于拟南芥(Arabidopsis)和哺乳动物对比，可能会给我们提供有价值的进化信息。虽然有试验性的建议认为叉枝蝇子草(S. latifolia)可能有两个PAR区(Scotti and Delph, 2006)，但目前还没有任何证据支持此种说法。我们还不清楚叉枝蝇子草(S. latifolia)的性染色体的假常染色体区是如何保证形成交叉的染色质的，以及它是如何抑制异源染色体的联会和重组的。这也是我们实验