全 文 ：Vol. 31 , No. 7
pp. 940 - 943 　July , 2005
作 　物 　学 　报
ACTA AGRONOMICA SINICA
第 31 卷 第 7 期
2005 年 7 月 　940～943 页
综述 多倍体化引起植物表型突变的分子机理研究
程治军　秦瑞珍　张　欣　雷财林　郭秀平　万建民 3
(中国农业科学院作物科学研究所 , 北京 100081)
摘　要 : 多倍体化后经常出现一些新的表型 ;但是 ,大量的表型变异发生的原因一直不清楚。最近人们对拟南芥菜、棉
花、小麦、油菜等人工合成四倍体的研究 , 为理解这种表型变异的机制提供了线索。初步结果表明 ,无论同源多倍体还
是异源多倍体化后 , 既有基因的甲基化也有基因的脱甲基化 , 某些甲基化状态的改变可以重复且独立发生。这些甲基
化了的基因可以用 azadC再激活。利用多倍体产生的甲基化突变体将有助于进一步研究这一过程的分子机制。本文讨
论了利用同源四倍体水稻产生二倍体的基因缺失与沉默突变体的可能性。
关键词 : 多倍体 ;甲基化 ;突变体 ;水稻
中图分类号 : S511
Molecular Mechanism for Phenotypic Mutation Arisen from Polyploidization in
Plant
CHENG Zhi2Jun , QIN Rui2Zhen , ZHANG Xin , LEI Cai2Lin , GUO Xiu2Ping , WAN Jian2Min 3
( Institute of Crop Sciences , Chinese Academy of Agriculture Sciences , Beijing 100081 , China)
Abstract: Polyploidy can induce mutants with new phenotypes , but the molecular mechanism of mutation is poorly
understood1 Recent studies on artificial tetraploids of Arabidopsis , cotton , wheat , and canola have provided the way for
understanding its mechanism1 Preliminary results indicated that some gene silences due to DNA hypermethylation or
hypomethylation were frequently caused by either autopolyploids or allopolyploids , and the hypermethylation genes could be
reactivated by azadC , a demethylating agent1 Further study on hypermethylation would be required for better understanding
the mechanism of polyploidization1 This paper also discussed the possibility to obtain hypermethylation mutant from
autotetraploidy rice1
Key words : Polyploidy ; Methylation ; Mutant ; Rice
　　染色体数的增加及由其引起的基因冗余被认为
是真核生物 (尤其有花植物) 进化的主要原动力[1 ] 。
重要的作物如苜蓿、土豆等是同源多倍体 ,而小麦、
燕麦、棉花、咖啡豆为异源多倍体 ,可能 95 %的被子
植物都经历了多倍体化。尽管因基因组的重排而模
糊了有关的证据 ,但经常被当作二倍体的玉米、马铃
薯、白菜甚至拟南芥也在进化的早期经历了多倍体
化的过程[2 ] 。
多倍体经常出现一些新的表型 ,如抗旱、无性生
殖、抗病虫、花期、器官体积、生物量的变化等 ,使其
更适合自身或农业生产的需要[3 ] 。多倍体化后产生
更大体积的器官和繁茂的营养体也利于在天然状态
下将极稀有 ( > 10 - 5) 的生物体保存下来。但是 ,大
量表型变异发生的原因一直不清楚 , 最近人们对拟
南芥菜、棉花、小麦、油菜等人工合成四倍体的研究 ,
为理解这种表型变异的机制提供了线索。
1 　异源多倍体的后代有频繁的表型变异
拟南芥的异源四倍体种 A1 suecica (2 n = 26 ,
A’A’C’C’)是由来自于母本 A1 thaliana (2 n = 2 x =
10 , AA) 的 AA 基因组和父本 C1 arenosa (2 n = 4 x =
32 , CCCC)的 CC 基因组自然加倍产生的。Comai et
al1[4 ]利用 A1 thaliana Landsberg (Ler) 根细胞愈伤组
织培养自发加倍的四倍体 LC612 株系和 C1 arenosa
基金项目 : 国家高科技研究发展计划项目 (863 计划 , 2001AA211141) 。
作者简介 : 程治军 (1964 - ) ,男 ,安徽人 ,博士 ,研究员 ,研究方向 :植物多倍体遗传及分子生物学。3通讯作者 : 万建民。
Received (收稿日期) :2004209227 ,Accepted (接受日期) :20052022151

的 Care21 系杂交获得异源四倍体种 F1 , 由于杂种严
重败育 , 仅获得 4 个成株 , 它们的表型介于两亲本
之间。在 F2 代 ,除了因等位基因分离而产生的形
态、花期、育性等性状变化外 , 株系 4922A 所有 12 棵
单株均出现了可遗传的大粉红色花和锯齿状叶的非
亲本变异。株系 605B , 同一单株基部花返祖到二倍
体的Ler 植株形态 , 而上部的花随着生长和发育又
恢复到异源四倍体状态。另外 , 茎秆的花斑状颜色
及花序的发育不正常都揭示了异源多倍体的不稳定
性 ,其后代能产生频繁的变异。尽管人工合成的异
源四倍体未经历长时间的自然选择和进化 ,但细胞
学研究表明 , 仍出现和自然界异源四倍体同等程度
的 (5 %～15 %) 不正常减数分裂 , 因此很难用减数
分裂不正常来解释这种频繁的变异。同样 , 在新合
成的多倍体甘蓝型油菜 ( Brassica napus) 中 , 也能出
现新的可遗传的变异 (如花期变异) [5 ] 。
2 　异源多倍体化引起基因的丢失、沉默和
激活
　　McClintock 认为染色体组遭受冲击 ( genome
shock)后细胞会发生一系列程式化的反应以减缓这
种冲击[6 ] 。异源多倍体的形成中包含两方面的染色
体组冲击 , 即远缘杂交和染色体加倍。为了确切描
述染色体加倍对基因表达的影响及受到影响的基因
类型 , Feldman 等利用小麦的近缘野生种山羊草种
间或山羊草和一粒小麦之间杂交 , 先获得 F1 , 再将
F1 加倍 ,获得异源四倍体 , 比较杂种 F1 和异源四倍
体在基因表达上的差异 , 从而将远缘杂交和染色体
加倍对基因表达的影响区别开来。在先前利用缺体2
四体方法发现一些二倍体的低拷贝数序列在人工合
成或自然多倍体中丢失的基础上[7 ] , Ozkan 等又将
这些低拷贝数序列分成基因组特异序列 ( GSS) 或染
色体特异序列 (CSS) ,并提出前者在远缘杂交的 F1
代即丢失 , 而后者的丢失多发生在染色体加倍以后
的观点[8 ] 。Shaked 等利用 AFLP 在 DNA 水平上发现
了大 量 的 重 复 序 列 丢 失 现 象。在 组 合“Ae1
sharonensis ×Ae1 Umbellulata”的 F1 中 , 约 14 %来自
Ae1 sharonensis 和 015 %来自 Ae1 umbellulata 的位点
丢失。而组合“Ae1 longissima ×T1 urartu”的序列丢
失主要发生在染色体加倍之后。用甲基化敏感扩增
多 态 性 ( methylation2sensitive amplification
polymorphism , MSAP)的方法量化 DNA 序列甲基化 ,
他们发现了 3 种甲基化的改变模式 : ①118 %在 F1
因甲基化状态改变而消失的片段在染色体加倍以后
得以恢复 ; ②619 %片段同时在 F1 和异源四倍体中
消失 , 因远缘杂交引起甲基化状态改变的多为重复
序列或转座子 ; ③414 %存在于 F1 的片段经多倍体
化后消失 , 而这些因染色体加倍引起的甲基化状态
改变所涉及的多为编码序列[9 ] 。Kashkush 等用
cDNA2AFLP 方法 , 分析了 3 072 个转录本在亲本
Ae1 Sharonensis、Triticum monococcum ssp1 aegilopoids
和异源四倍体中的表达 ,发现转录本的消失既可发
生在 F1 也可发生在异源四倍体中 ,其中 48 个消失
的基因涉及了 rRNA、新陈代谢、抗病性和细胞周期
调节等重要功能 , 12 个被再激活的都是转座因
子[10 ] 。
3 　异源多倍体的蛋白质编码基因沉默源于
表观遗传调控或后修饰调节 ( epigenetically
regulation)
　　尽管人们早就注意到了四倍体蕨类的葡糖磷酸
异构酶 (phosphoglucoisomerase) 有基因沉默现象[11 ] ,
但是一直没有单个基因发生沉默的分子证据。
Comai et al1[4 ]等利用 cDNA2AFLP 方法分析约 700 个
cDNA 在亲本与后代的表达模式后 ,发现 17 个来自
母本 , 约 10 %的父本 cDNA 没有在异源四倍体 F2 中
出现。RT2PCR 测验表明 , 至少 3 个基因是沉默的 ,
其中基因 K7 在一株 F2 表现沉默 , 但在另一株 F2 中
又被重新激活 , 用甲基化敏感酶 Hpa Ⅱ消化表明 ,
这种基因沉默是由甲基化造成的。进一步的研究表
明 , 多倍体化后 , 既有基因的甲基化也有基因的脱
甲基化 , 某些甲基化状态的改变可以重复发生。但
是 , 用去甲基化药品 azadC 处理 F2 和 F3 ,却得到更
多的表型和转录水平上的变异[12 ] 。在这批材料的
后代里 , Hyeon2Se Lee 和 Z J Chen[13 ]发现 11 %(450/
4428)的二倍体亲本多态性 cDNA 并没有在异源四
倍体后代共表达 , RT2PCR 的结果证实了 110 个片
段中有 25 个 (约 2217 %)是单亲表达的 ,他们发现了
10 个沉默的基因 ,涉及 5 条染色体中的 4 条 ,包括 4
个编码 RNA 聚合酶 Ⅱ的转录因子 ,1 个推测的转位
酶 ,1 个非翻译的 RNA 和 1 个未知的基因。尚未发
现亲本不表达而异源四倍体表达的基因。为了研究
单拷贝基因沉默是否独立 ,他们分析了位于第一染
色体 TCP3 及其附近的另外 4 个基因 ,在 20 kb 的
DNA 长度范围内依次分布着 RFP、HYP1、HYP2、
TCP3 和 MDH。结果表明 ,异源四倍体 A1 suecica后
代表达的 RFP 是来自 A1 thaliana , 而 TCP3 来自
C1 arenosa , 3 个基因 HYP1、HYP2、MDH 的双亲
149　第 7 期 程治军等 :多倍体化引起植物表型突变的分子机理研究 　　　

cDNA 在 A1 suecica 的后代里共表达 , 这些甲基化了
的基因可以用 azadC再激活。说明因多倍体化引起
的基因沉默是独立的 , 它们受后修饰调节。
Keith L Adams[14 ,15 ]比较自然的和人工合成的四
倍体陆地棉的基因沉默模式时发现 ,在胚珠组织里
40 个被检测的基因中有 10 个表现沉默 ; 不同基因
乃至同一基因在不同组织里基因沉默方式都不一
样 , 它们受生长发育调控 , 即后修饰调节。
4 　同源多倍体的蛋白质编码基因也发生
沉默
　　同源多倍体后代的表型变异尚未见报道。因其
基因组来源相同 ,很难用 cDNA2AFLP 的方法来研究
多倍体水平上亲子间基因表达的差异。但是通过比
较 Taq Ⅰ( TCGA) 的甲基化状态 , Andreas Madlung
等[12 ]发现 , 拟南芥菜同源四倍体中 2016 %～2318 %
的 Taq Ⅰ位点甲基化 ,高于二倍体 Ler (1813 %) , 与
人工合成的异源四倍体后代 (2114 %～2519 %) 相
近 , 低于自然状态的异源四倍体 (2818 %～3019 %) 。
Mittelsten Scheid O[16 ]报道 ,同源四倍体也发生
基因沉默现象。在寻找沉默了的拟南芥转基因株于
杂交后代重新激活的原因时 , Mittelsten Scheid O 等
发现携带沉默了的抗生素基因 hpt 的同源四倍体株
系 A 和二倍体野生型杂交后代里有约 6 %个体的
hpt 基因再激活。当纯合抗生素基因 hpt 的二倍体
株授以野生型四倍体的花粉时 , 杂种幼苗能正常生
长 , 有 1115 %的后代尽管存在抗生素基因 hpt ,但是
因对 hygromycin B 敏感而表现失活。说明染色体数
的增加能诱导后修饰性的基因沉默 (epigenetic gene
silencing) 。
Mittelsten Scheid O[17 ]利用秋水仙素直接加倍表
达 hpt 的纯合二倍体株系 C , 获得了 6 株同源四倍
体 ,从它们的自交后代判断 , 1 株全抗 (C4R , 基因型
RRRR) , 2 株部分抗 (分别有 9414 %和 6617 %的后
代表现抗性) , 3 株完全敏感 ( C4S ,基因型 SSSS) 。
Northern 杂交表明 , 在 C4S 系里无 hpt 基因转录产
物 , 胞嘧啶甲基化水平高于 C4R 或二倍体的祖先 ,
hpt 基因因甲基化完全沉默。通过与二倍体杂交并
连续自交杂种后代可使染色体数重新回复到二倍体
水平 , 减倍后 hpt 基因的甲基化状态不变 , 即来自
C4S的二倍体 C2S 对 hygromycin B 仍然敏感 , 来自
C4R 的二倍体 C2R 仍抗 hygromycin B。当杂种基因
型为 RRRR 和 SSSS 时 ,理论上 F2 应该是 35 抗∶1
感 , 实际上只有 4711 %的抗性株 , 显示沉默了的 S
位点具有诱导 R 位点沉默的作用 ( trans2silencing
effect) 。这种 S 位点诱导 R 位点发生基因沉默的现
象称为泛突变状互作 (paramutation2like interaction) 。
5 　植物 DNA 甲基化酶及超甲基化突变体
胞嘧腚甲基化是真核生物 DNA 的一种可逆性
修饰 , 植物 DNA 的甲基化是受 DNA 甲基转移酶催
化的。目前发现在植物中至少存在三大甲基化转移
酶家族[18 ] 。一类是和哺乳动物 Dnmt1 同源的 MET1
家族 ,优先作用于 Cp G序列的胞嘧腚 ,主要起保持
基因甲基化状态的作用。第二类是植物特有的染色
质甲基化酶 (chromomethylase , 简称 CMT)家族 , 优先
作用于 CpNp G序列的胞嘧腚 ,与异染色质的甲基化
有关。第三类是具有产生新甲基化功能的 Dnmt3 家
族。此外 , 还有 DDM1 蛋白质 , 它是与染色质重建
有关的 SNF2/ SWI2 蛋白质家族的成员[19 ] 。基因的
甲基化状态改变有 2 种途经 ,即 DNA 次甲基化
(hypomethylation) 和超甲基化 ( hypermethylation) 。因
基因组多倍体化而导致功能基因甲基化多为超甲基
化。到目前为止 , 有关的研究多集中在对多倍体化
后基因表达方式改变的现象描述上 , 尚没有因多倍
体化引起 DNA 甲基化转移酶活性变化的报道 , 对
控制植物 DNA 甲基化的酶类怎样应对染色体组加
倍的冲击了解的还不多 , 对易受染色体组冲击影响
的基因在二倍体植株里的结构、功能和表达有什么
特异之处也不得而知。寻找因多倍体化而造成的基
因甲基化突变体将有助于对这些问题的理解。
目前 , 有关因甲基化状态改变而导致的突变体
的报道还不多。人类最早记载的云兰属植物
Linaria vulgaris 的一个花由双面对称转变为辐射状
的突变体即是由 Lcyc 基因的超甲基化引起的 ,与其
DNA 序列变化无关[20 ] 。在拟南芥中 ,发现 2 个超甲
基化等位基因 AGAMOUS [21 ]和 SUPERMAN [21 ,22 ] ,也
都与花的结构有关。Stokes[23 ] 在拟南芥的 DDM1
( DECREAS E IN DNA M ETHYLATION 1 ) 的突变体
ddm1 株系后代中发现 1 个卷叶、育性低的半显性矮
秆突 变 体 , 并 证 明 其 bal 基 因 对 假 单 孢 菌
( Pseudomonas syringae pv1) 引起的病害有抗性。概
括已有的研究结果 ,Jacobsen et al1[21 ]得出了 3 点结
论 : ①超甲基化最可能在减数分裂 (导致植株不育或
部分不育)或局部组织的体细胞 (产生嵌合体表型)中
发生 ; ②在次甲基化的遗传背景中 ,特定基因的异位
性超甲基化 (ectopic hypermethylation)可以产生很多缺
损突变体 ; ③在 DNA 水平上 ,超甲基化发生在富含嘧
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啶序列上 ,可涉及 DNA 二级结构的变化。
6 　利用多倍体基因沉默现象发掘突变体
功能基因的甲基化涉及到基因的表达和调控 ,
一直是分子生物学研究的热点和难点。特别是在后
基因组时代 ,搞清为数众多的基因表达和调控 ,是基
因组测序后面临的最主要的挑战。尽可能多地发现
因甲基化状态改变的突变体有助于对这一问题的深
入研究。普遍存在于多倍体后代中的功能基因超甲
基化为我们筛选这样的突变体提供了可能。具体做
法以模式植物水稻为例 ,通过秋水仙素使之加倍成
四倍体 ,诱发某些基因的甲基化 ,然后通过广泛的杂
交 ,利用 paramutation2like interaction 的原理 ,诱导同
源四倍体群体内相同的基因也发生基因沉默 ,在群
体内积累沉默基因的频率 ,然后再用染色体数减倍
如花药培养的办法 ,使其回到二倍体的水平 ,让甲基
化了的基因得以在二倍体的水平上表达。
笔者已经在历年积累的包括籼、粳亚种及地方
种、改良品系和它们的杂交后代选系等基础广泛的
四倍体遗传群体基础上 , 用花药培养的方法 ,初步
得到了株高、育性等性状的一些二倍体水平的变异
体[24 ] 。目前 ,正在扩大花培群体 , 以获得更多的突
变体。同时 ,用甲基化敏感的化学药品 (如 52氮胞
苷)处理已经获得的突变体 , 以检查它们有无回复
突变 ,从而确定是否为甲基化状态改变的突变体。
希望通过发掘并研究因多倍体化产生的突变体 ,加
深对多倍体化后基因水平上变化机制的理解。
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