全 文 ：武汉植物学研究 2004，22(2)：158～162
]ournal of Wuhan Botanical Research
序列消除与异源多倍体植物基因组的进化
刘爱华，王建波
(武汉大学植物发育生物学教育部重点实验室，武汉大学生命科学学院，武汉 430072)
摘 要 ：经杂交后多倍化形成的异源多倍体植物，被认为在其形成的早期阶段经历了 DNA序列消除过程。发生消
除的序列既涉及到高拷贝的序列也有低拷贝的序列，而且大多数情况下倾向于消除来 自其中一个亲本的序列。序
列消除的模式因基因组组成和物种的不同而有差异，并且可能受到细胞质的影响。尽管序列消除的分子机制还不
是很清楚，但很多证据已表明非同源染色体之间的互作不是主要的原因。目前认为，序列消除增加了非同源染色体
之间的差异，为多倍化后在减数分裂过程中快速恢复二倍化的染色体配对模式提供了物质基础 ，这样更有利于多
倍体在 自然界快速稳定。
关键词 ：异源多倍体；序列消除；基因组进化
中图分类号 ：Q943 文献标识码：A 文章编号 ：lOOO一47ox(2oo4)02一o158—05
Sequence Elimination and the Genomic Evolution
0f All0p0lypl0id Plants
LIU Ai—Hua，WANG Jian—Bo。
(Key Laboratory of MOE for Plant Developmental Biology。Colege of Life Sciences，Wuhan University，Wuhan 430072，China)
Abstract：Allopolyploids，resulted from combination of two or more differentiated genomes，have
undergone DNA sequence elimination in the early stage after the formation of allopolyploids．The
sequences eliminated，involving not only high—copy but also low—copy DNA sequences，mostly are
from one of the parental genomes．The modes of sequence elimination are different among both
various genomic constituents and species，perhaps affected by the cytoplasm．Although the mecha—
nisms of molecular interactions that underlie sequence elimination are not very clear at present，
many investigations have indicated that inter—homoeologous chromosomal recombination is not
the main impact factor．It has been speculating that sequence elimination has increased the diver—
gence between homoeologous chromosomes，provided a physical basis for rapid restoration of
diploid—like chromosome paring pattern in meiosis following polyploidization，and thereby possibly
demonstrated polyploidy—facilitated adaptation．
Key words：Allopolyploid；Sequence elimination；Genomic evolution
异源多倍体植物是经过杂交后多倍化而形成
的。新形成的异源多倍体物种受到两种“基因组冲
击”(genomic shock)：其一，杂种性，两个不同的基
因组进入到一个共同的核中；其二，多倍性，导致了
基因组重复。对于这两个“冲击”，新形成的异源多倍
收稿日期
基金项 目
作者简介
通讯作者
体的基因组作出了一系列的反应。这些反应包括染
色体水平 和DNA序列水平 。 的结构重排、基因表
达调控的调整 。一 、转座子的活动[ ， 、高度重复序
列[。 或低拷贝序列[ · 。 的扩增、再分配或消除(eli—
mination)。这些变化直接关系到新形成的异源多倍
2003—06—25，修回日期；2003—11-21。
国家自然科学基金资助项目(30170063)。
刘爱华(1978一)，女，在读博士生，从事植物进化发育遗传学研究。
(Author for correspondence．E—mail；jbwang@whu．edu．on)。
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第 2期 刘爱华等：序列消除与异源多倍体植物基因组的进化 159
体物种的稳定和进化。其中，在异源多倍体形成的早
期阶段观察到的序列消除现象是目前关于多倍体研
究的热点之一，笔者就序列消除发生的特点、机制和
意义等进行了综述。
1 序列消除的特点
1．1 消除的倾向性和可重复性
在芸薹属(Brasica)和山羊草属(Aegilops)中
观察到的消除序列表明被消除的序列在某种程度上
倾 向于来 自其中一个亲本基因组的序列。Song
等[“ 观察到由芸薹属 3个基本种人工杂交一多倍化
形成的异源多倍体产生后，发生了快速的基因组变
化，在异源多倍体 AABB(B．rapa×B．nigra)中观
察到丢失的片段倾向于来 自父本基因组，但在异源
多倍体 AACC中并没有类似的现象。Ozkan等[】 ]在
由 Aegilops sharonensis和 Ae．umbelulata杂交多
倍化得到的杂种中发现，有 14 的来 自母本的基因
座被消除，而来 自父本的只有 0．5 被消除。他们的
结果证实了序列消除是对异源多倍化产生的普遍而
快速的反应，且常常是一个非随机的可重复的模式，
倾向于消除来自其中的一个亲本基因组的序列。
被消除的序列与该异源多倍体物种基因组组成
相关。Feldman等[。]和 Liu等[13,14]以小麦特异序列
为探针，研究不同倍性小麦基因组的特点，结果发现
由异源多倍化所引发的序列消除在异源四倍体和异
源六倍体小麦中都普遍存在，并发现某一序列是否
会从一个亲本基因组成分中被消除，与其他亲本基
因组中是否存在该序列的同源序列有关。若在异源
多倍体的两个亲本基因组中都有该序列，则该序列
倾向于被消除。从而表明，由异源多倍化所引发的序
列消除现象不是一个随机的过程，而是有方向性的。
此外，以上所提到的研究中多是以人工合成的
多倍体为研究对象，或者把人工合成的多倍体与自
然生成的多倍体相比较，在人为杂交多倍化的过程
中总可以观察到序列消除，说明此现象的发生是可
重复的。
1．2 消除发生的时间
序列消除往往发生在异源多倍体形成的早期阶
段，并且迅速完成。Ozkan等Dz]分析了由山羊草属
(Aegilops)和小麦属(Triticum)杂交形成的 35个二
倍体 F 代和 22个人工异源多倍体中8个低拷贝的
DNA序列消除情况。这些序列在所有的二倍体小麦
中出现，但在多倍体中只出现在其中的一个亲本基
因组上，它们或者以一个染色体特异序列的形式
(chromosome—specific sequences，CSSs)存在 ，或 者
以 基因组特 异序列 的形式 (genomic—specific se—
quences，GSSs)存在。他们比较了二倍体亲本、杂种
F 代及人工合成异源多倍体的 3个子代(s1、s2、
s3)，发现基因组特异序列(Gsss)消除始于 F 代，
完成于异源多倍体形成后的第一代或第二代，然而，
染色体特异的序列消除(CSSs)始于异源多倍体形
成后的第一代，完成于第二代或第三代。可见，无论
是 GSSs或 CSSs的消除都开始得较早 ，并在异源多
倍体形成的早期完成。对芸薹属多倍体的研究也表
明序列消除发生在多倍体形成的早期阶段[】¨。
同时，研究者也发现那些人工合成的异源多倍
体若在基因组组成上与自然生成的异源多倍体较为
相似，则发生序列消除的方向也是一致的。结合
Rieseberg等[】5]的研究结果，自然杂种的基因组结
构和组成应该在最初的杂交事件发生后几代之内就
稳定下来了。
1．3 消除涉及的序列
因为组成植物基因组主要部分的重复序列无论
是串联重复(tandem repeats，如 rDNA)还是散在重
复(interspersed repeats)都有协同进化(concerted
evolution)的趋势，而不等交换被认为是引起异源多
倍体植物协同进化的主要因素。不等交换的结果是
一 条染色体上的一段序列发生复制，而另一条染色
体上出现相应的缺失[】 ，所以协同进化必然在很
大程度上伴随有序列的消除[】 ]。
棉属(Gossypium)由约 50个物种组成，5个四
倍体种是 A、D基因组亲本种之间杂交后多倍化形
成的异源多倍体。Hanson等[8 通过 FISH方法检测
了异源多倍体 G．hirsutem(AADD)形成后散在重
复序列的进化情况，结果发现其中的散在重复序列
伴随着多倍化经历了基因组间的协同进化，即，D基
因组的散在重复单元消除的同时被 A基因组的替
代。Waters等[2o]在对芸薹属异源多倍体的研究中发
现 B．ju．cea(AABB)、B．carinata(BBCC)、B．1"ta-
pus(AACC)的 rDNA未发生协同进化，即，rDNA
没有发生序列消除。可见，多拷贝序列有序列消除现
象，但不同属的物种间发生的情况是不同的。
低拷贝的序列也有序列消除现象，但编码和非
编码序列的情况不同。普通小麦是一个由Triticum
turgidum (AABB)和 类 似 于 现 在 的 Aegilops
tauschi(DD)的一个物种杂交多倍化而产生的异源
六倍体(AABBDD)。Feldman等[9]最初用 16个低拷
贝非编码的探针进行了RFLP研究，其中 9个探针
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16O 武 汉 植 物 学 研 究 第 22卷
在供试的二倍体基因组中都产生了强烈的杂交信
号，但每个序列仅在异源四倍体的一个基因组中检
测到了信号，即两个亲本基因组之中的一个消失了，
并且，伴随着六倍体小麦的形成，又发生了新一轮的
序列消除。在随后的实验中，Liu等[1。]用同一套探针
检测了Triticum和Aegilops人工杂交合成的四倍
体、六倍体、八倍体和十倍体中 RFLP的情况，与前
面的研究一致，快速而非随机的序列消除在每个异
源多倍体中都观察到了。为了进一步确认多倍化诱
发的序列消除是否也发展到了编码序列，Liu等n
又用分别定位在六倍体小麦 42个染色体臂上的 42
个编码序列做探针，发现有片段的丢失或新片段的
产生，但是他们证实了这些变化是由于甲基化的影
响而不是因为序列消除。这就说明在小麦中发生序
列消除的多是低拷贝的非编码序列。
Song等[n 在芸薹属 中用的大多是编码序列
(19个未知克隆，63个 cDNA克隆和 7个已知功能
的核基因)，他们观察到芸薹属异源多倍体形成后发
生了快速的基因组的变化，有片段的丢失或新片段
的产生，尤其是在异源多倍体 AABB(B．rapa×B．
nigra)中观察到丢失的片段倾向于来自父本基因
组，但在异源多倍体 AACC中并没有类似的现象。
应该指出的是 ，Song等观察到的也许代表了整个基
因组的变化 ，而 Waters等[2o]观察到的结果只代表
了基因组中某一类重复序列的变化情况，所以还需
要更多的证据来说明芸薹属中序列消除的情况。
1．4 核质互作对序列消除的影响
在异源多倍化过程中，两个本来相互隔离的，具
有不同程度差异的基因组被组合到同一个核中，并
通常处在由单一亲本所提供的细胞质环境中，因此
在控制性状表达的过程中，不仅两个基因组之间要
相互调整，相互协作，在核基因组与细胞质之间也必
须通过一定形式的相互作用，在新的基础上重建核一
质之间和谐、平衡的相互关系，提高相容性水平，这
是多倍体稳定和进化的一个重要基础[2 。
细胞质也许会对进入同一个核中的不同基因组
之间的比例施加选择压力，通过建立一个和谐的核
质基因组关 系而使新产生的异源 多倍体稳定下
来[2 。在 Brassica中，Song等[1]认为偏向性的序列
消除很可能是由核质互作而引起的，他们观察到由
B．rapa与 B．nigra杂交产生的异源多倍体 B．
ju．cea中消除的序列倾向于来自父本基因组。这一
结果尽管和 RAPD分析该多倍体的结果基本一致，
但在用 RAPD分析由B．nigra和 B．oleracea杂交
产生的异源多倍体 B．carinata时，却没有发现此多
倍体中消除的序列倾向于来 自父本基因组[2引。此
外，Liu等[1。 在交互杂交得到的一对异源八倍体小
麦中没有发现基因组变化的不同，这表明细胞质没
有在决定消除的方向上起作用。Ozkan等[12]的进一
步研究表明尽管细胞质作用也许影响了 DNA序列
的修饰作用，但它们不是影响 CSSs和 GSSs消除的
主要 因子。
2 序列消除的机制
Feldman等[9]、Liu等[13,14]对人工合成的和自
然生成的异源多倍体(Triticum×Aegilops)比较研
究工作表明，序列消除是由异源多倍化诱发的，而不
是由染色体加倍的方法(如秋水仙素处理)诱发产生
的，因此，序列消除可能是新的异源多倍体物种稳定
过程中出现的一个普遍现象。
以往的研究表明两个不同的基因组进入到同一
个核中，它们之间的重组应该对异源多倍化带来的
基因组的变化起主要作用[2‘。，但是近来的研究表明
重组并不象想象中的那样也起着主要作用。Song
等[1]认为基因组间的重组是芸薹屑异源多倍体(B．
juncea，AABB和 B．napus，AACC)中基因组变化
的主要因子，但普通小麦中的序列消除似乎不是由
基因组间的重组引起的[9 引。Phl基因被认为是决
定多倍体中同源染色体配对的主要因素，缺乏这一
基因的多倍体植株会出现部分同源染色体配对，有
利于基因组间的重组[2引。为了进一步弄清楚是否基
因组间的重组在异源多倍化诱发的序列消除中起了
重要作用，Ozkan等[1幻研究了缺乏 Phl基因时异源
多倍化诱发的序列消除模式，发现与有 Phl基因存
在时序列消除的模式是类似的，这表明基因组间的
重组并不是影响序列消除的主要因子。值得注意的
是，Axelsson等[2 ]通过RFLP分析没能在人工合成
和 自然生成 的芸薹属 (Brassica)异源多倍体 (B．
ju．cea，AABB)中发现快速基因组变化的证据，但是
他们不能排除这些变化的可能性，同时认为在芸薹
属异源多倍体中基因组间的重组几乎没有发生。
Shaked等 认为在他们合成的异源多倍体系
列 (Triticum×Aegilops)两个子代中观察到的序列
消除机制可能有三：①部分同源的等位基因 (ho—
moaleles)之间的基因转换；②由诸如转座子剪切，
特异位点重组等产生序列切除并随之发生的序列消
除；③正向重复(direct repeats)序列之间的交换导
致位于它们中间的剪切环的丢失。
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第 2期 刘爱华等 ：序列消除与异源多倍体植物基因组的进化
Volkov等[28 对烟草异源多倍体 N．tabacum
形成后 18S一26S rDNA的 IGS(intergenic spacers)
区的进化研究，揭示了其进化经历了如下三个步
骤：①核竞争，即杂交后共存于多倍体中的两亲本基
因组相互竞争，结果具较长 IGS的 N．tomentosifor—
mis rDNA 控 制 了具 较 短 IGS的 N．sylvestris
rDNA；②消除与替代，受制于 N．tomentosiformis
rDNA的 N．sylvestris rDNA逐步被消除，最后被
N．tomentosiformis rDNA替代；③ rDNA重组，来
自N．tomentosiformis的rDNA在不同的区域进行
DNA小片段的复制与消除，由此推动该多倍体物种
基因组的进化。
近来在对棉属的研究中，Liu等[2 用 AFLP和
M ASP (methylation—sensitive amplification poly-
morphism)方法分析了 6个人工合成的异源六倍体
和它们的两个子代，在 22000个座位中没有发现快
速的基因组变化的证据，且在他们研究的异源多倍
体的两个子代中，几乎没有发生序列消除。应该指出
的是，这些合成的异源六倍体在棉属中本来是不存
在的，他们只是利用了棉属中自然存在的异源四倍
体做母本(父本是棉属中不同的二倍体)来研究异源
多倍体形成后的基因组的变化情况，那么这些合成
的异源六倍体也许代表了自然界中那些未能成功进
化的新异源多倍体物种。
显然，要了解序列消除的机制，就必须深入了解
被消除的序列本身所具有的特征、它们两侧的区域、
以及消除现象发生的起始和终止的位点。
3 序列消除的生物学意义
Feldman等[9]认为通过 DNA 序列消除过程，
可以把某些部分同源染色体所共有的序列转化成某
些染色体所特有的序列，增加部分同源染色体之间
的差异水平，减少它们在减数分裂过程中配对的机
会，保证严格的同源染色体之间的配对，从而为多倍
化以后在多倍体基因组中尽快恢复二倍体化的染色
体配对式样奠定了基础。
Liu等[1。 。o]通过比较人工合成的异源多倍体
和 自然生成的多倍体发现，CSSs和 GSSs的消除在
模式、速率和时间等参数上受到异源多倍体基因组
组合情况的影响，快速的序列消除总出现在那些在
自然界中已存在的异源多倍体中，即，序列消除似乎
和异源多倍体的成功进化相关联。
Shaked等[2 ]对异源多倍体诱发的序列消除提
供了一个量化的评估，他们认为序列消除能够影响
一 个基因组的高达 15 的序列。如此广泛的变化使
得最初异源多倍体的多价体配对模式变成了二价体
配对模式，这样就阻止了基因组间的重组和染色体
不平衡的配子产生，从而有利于该新物种的生殖，促
进它在自然界的成功建立。
显然，已有的证据表明，在多倍体形成过程中出
现的这类基因组的非加性变化很有可能是基因组在
杂交和多倍化这两大压力下产生的适应性变化，使
得新形成的多倍体的发育调控朝着有利于多倍体基
因组在自然界快速稳定的方向发展[31,32]。然而，这
一 推论是否适用所有的多倍体植物还有待更多的实
验来证实。不可否认的是，序列消除在多倍体植物基
因组的动态进化过程中起着不可忽视的作用。
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