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春节巨献: 揭开小麦Ph1的面纱-正史篇: mashengwei 2018-2-17 22:07; 2 13 本期作者：Hao Li 编者按：小编在1月30日推送的、关于 Ph1 解读的 “我要上PC”—小麦领域Plant Cell上论文合辑（九），得到了很多小伙伴的反馈和讨论。这里，我们邀请到美国UC Davis 的博后，Hao Li博士为我们继续解读 Ph1 ，以飨读者。Hao Li博士目前正在从事 Ph1 的相关研究，他所在的实验室从上个世纪七十年代就开始研究 Ph1 ，所以很荣幸可以邀请到他，为我们带来关于 Ph1 的春节钜献。前不久看到公众号上小编Meng Wang的 “我要上PC” —小麦领域Plant Cell上论文合辑（九），讲解的是 Ph1 的故事，看到后大呼过瘾。然而呼喊到文章结尾，发现故事戛然而止到2012年，心中有些意兴阑珊，于是乎联系小编，进行了一番讨论。叹道2012年之后的 Ph1 故事更加精彩，而且都是离其真实面目越来越近的报道，与小编一致认为 Ph1 的故事应该有续集，遂把这些2012年之后的报道推向大家。鉴于本人BOSS（老先生毕生致力于小麦基因组的遗传和进化以及D基因组供体的研究）一直对 Ph1 颇有兴趣，本人也有幸从事了一些 Ph1 相关的工作，于是受托着手 Ph1 的故事之二。受此重托，本人也倾尽脑汁，可能会带有部分偏见，如有不到之处，还请海涵，也欢迎留言讨论。常听老先生把 “ The most important gene in wheat is Ph1 ” 放在嘴边，足见 Ph1 在小麦基因组中的份量。言归正传，2012年至今， Ph1 的研究主要也是由Prof. Graham Moore (John Innes Centre)和Prof. Kulvinder Gill (Washington State University) 报道的。2014年之前的工作，大家感兴趣的话可以去Graham Moore实验室网站（ https://www.jic.ac.uk/staff/graham-moore/ ）找到一个 “Presentation: A summary of the Ph1 story so far.” 的PPT文件进行了解。 2014年8月，Graham Moore组在Nature Communications发文（见下图），重新提出了 Ph1 的功能是促进同源染色体间的配对而不是抑制部分同源染色体间的配对，但是会阻止已经发生配对的部分同源染色体中的 MLH1 位点向crossover的转变（MLH1是错配修复蛋白，同源染色体间的配对和重组只会在MLH1结合的位点发生，因而MLH1会指示即将发生crossover的位点）。同是2014年8月，Kulvinder Gill组在PNAS上发文号称找到了 Ph1 的候选基因，命名为 C-Ph1 （见下图）。基于Gill et al . (1993) 和Griffiths et al . (2006) 利用5B染色体缺失材料将 Ph1 缩小到一个2.5 MB区域，Kulvinder Gill组比较基因组学将此区域同步到水稻基因组450kb的区域，首先利用生物信息学分析将该区域的91个基因过滤到26个基因，然后VIGS验证分析鉴定出一个候选基因 ( C-Ph1 ; LOC_Os9g30320 , wheat expressed sequence tag(EST) homolog BE498862)，并进行后续的功能验证证明其是 Ph1 的候选基因。 C-Ph1 的文章一经发表，引起了不少轰动，但是也有不少大咖表示质疑。加上此前Graham Moore组提出的 CDK2-like 基因簇理论，各种争论接踵而来。在2016年PAG会上，私底下跟Graham Moore教授交流的时候，他非常肯定的说 C-Ph1 不是 Ph1 。果然，在沉寂了3年之后，各种争论徐徐到来。 2017年4月，Graham Moore组在Chromosoma上发文进一步阐释 Ph1 在染色体联会和交叉重组的机理（见下图）。基于他们2014年的研究， Ph1 的功能是促进减数分裂早期同源染色体间的联会，也会阻止已经发生联会的部分同源染色体中的 MLH1 位点向crossover的转变 (Martín et al . 2014)。首先，他们本文发现不论 Ph1 是否存在，部分同源染色体间的联会是不能在端粒花束期发生的，而只有同源染色体间的联会会在这个时期发生。在没有 Ph1 时，联会的进程明显晚于端粒花束期，大部分的部分同源染色体间的联会发生于花束期以后。其次，在没有 Ph1 时， MLH1 位点向crossover的转变是能够被环境条件操纵的，比如高营养水平的土壤和较低温的处理均能增加同源染色体间和部分同源染色体间crossover的比例。而这些结果对于在育种中应用 Ph1 突变体提供了更多的可能。 Graham Moore组本文中提出 Ph1 位点已经被锚定在这个含有 CDK2-like 基因和甲基化转移酶(SAM-MTases)基因的基因簇，这个区域包含了一个来自3B染色体的片段，该片段中带有一个之前命名为 hypothetical 3 ( Hyp3 ) 的基因(Griffiths et al. 2006; Al-Kaff et al. 2008)，现在重新命名为 ZIP4 (UniProtKB-Q2L3T5)。而 Ph1 对于crossover形成的影响很可能就是这个 ZIP4 基因的作用。紧接着，2017年7月，Graham Moore组在Mol. Breeding发表文章（见下图），借阐释 Ph1 区域 Tazip4-B2 基因突变体的机会，进一步捍卫了他们的理论 “ Ph1 位点是一个复杂的基因簇，包含了 CDK2-like 基因和甲基化转移酶（ ZIP4 的旁系同源基因）也在内”（原话是 Ph1 locus is a complex cluster of CDK2-like and methyl transferase genescontaining a ZIP4 paralogue）。其在文中犀利指出 C-Ph1 在水稻中的同源基因 Os9g30320 实际上是一个绒毡层细胞基因（Jeon et al .1999）。而且小麦中的 C-Ph1 的旁系同源基因，名为 Raftin1 ，也被认定为是绒毡层细胞基因 (Wang et al .2003)。绒毡层细胞基因的表达呈现高峰会因为绒毡层细胞完全附着在减数第一次分裂中期花粉母细胞而发生。此类基因的紊乱会导致花粉母细胞受到胁迫，染色体聚集到一起和雄性不育，因而利用此类基因可以诱导产生雄性不育系，两个专利也已经被授权(Patents WO2000026389A3 和US20040060084)。这点也得到了公众号小编倪飞博士（太谷核不育基因 Ms2 克隆的主要参与者）的确认。并且之前Al-Kaff et al. (2008)报道的2.5 MB区域内的缺失材料中也缺失了 C-Ph1 基因，却没有表现出 Ph1 突变体的表型，他们推测Bhullar et al. (2014)报道的缺失材料的表型可能被错误鉴定，或者VIGS鉴定的表型是由脱靶效应造成的。仔细比较会发现其报道的VIGS鉴定的表型比整个5B染色体的缺失还剧烈。因而， C-Ph1 应该不是Ph1 ！！！ Graham Moore组再次强调利用缺失系的分析已经把 Ph1 位点锚定在这个2.5MB区域，这个区域包含了一个来自3B染色体的带有异染色质和 TaZIP4-B2 基因 (原名为 Hyp3 , UniProtKBQ2L3T5)的复制片段，此片段插入到了 CDK2-like 基因簇（穿插了甲基化转移酶基因，原名为 SpG , UniProtKB-Q2L3W3) (Griffiths et al . 2006; Al-Kaff et al . 2008; Martín et al . 2017)。但是这些基因对 Ph1 表型的贡献还是未知的。鉴于 ph1b 突变体带有太多的部分同源染色体交叉重组导致的染色体异构，而且严重影响育性(Sánchez-Morán et al . 2001)，他们本文成功地分离出小麦中能够带有较小影响的 TaZIP4-B2 基因突变体Cadenza1691和Cadenza0348，进而可以推广应用。这还没完，Kulvinder Gill组在2018年PAG大会上提交了3个 C-Ph1 相关abstract和poster ( https://pag.confex.com/pag/xxvi/meetingapp.cgi/Person/50501 )。文中声称利用 C-Ph1 对 ph1b 突变体进行互补功能验证，发现转基因植株与黑麦染色体的配对能力比对照明显下降，因而 C-Ph1 能够恢复 ph1b 正常的染色体配对功能。此外，与二倍体相比， C-Ph1-5B 拷贝通过一些进化的改变而具有了新的功能，具体是i) 29bp 缺失；ii) 60bp插入导致获得了新的motif；iii) 可变剪切；iv) 减数第一次分裂前期-中期的过早表达。可是，同在2018年PAG大会上，来自National Research Council (Canada)的Sateesh Kagale也有一篇abstract是关于 Ph1 的( https://pag.confex.com/pag/xxvi/meetingapp.cgi/Paper/31148 )，该文利用CS 和Cs- Ph1b 突变体的RNA sequence数据和小麦基因组数据进行分析，获得了 Ph1 区域的完整基因序目。这些基因进行综合结构和表达分析表明 Ph1 是一个带有多重候选基因并带有冗余功能的复杂位点。综合以上研究报道，可以将其汇总到一张图上（见下图），Graham Moore组认为 Ph1 是一个复杂的基因簇，包括了 Cdk-like genes和 TaZIP4-B2 ；而后Sateesh Kagale对 ph1b 突变体的生物信息分析也得出了 Ph1 是复杂基因复合体的相似结论；然而Kulvinder Gill组还是坚持 C-Ph1 是候选基因的理论，并声称1个 C-Ph1 就恢复了 ph1b 突变体的正常配对功能，但是包括本文作者在内的一些研究人员对此结果持怀疑态度。（图中显示 C-Ph1 的确在之前Graham Moore组创制的缺失系中发生缺失，但是没有表现出 ph1b 的表型）。看了这么些令人血脉喷张的研究以及争论，关于正史的报道到这里算是告一段落，相信随着关于 Ph1 基因各种研究的跟进， Ph1 的故事也会越来越耐人寻味，我们离揭开 Ph1 的面纱也越发的接近。本文用到的文献： Al-Kaff,N., Knight, E., Bertin, I., Foote, T., Hart, N., Griffiths, S., and Moore, G.(2008). Detailed dissection of the chromosomal region containing the Ph1 locus in wheat Triticum aestivum : withdeletion mutants and expression profiling. AnnBot 101 , 863-872. Bhullar, R.,Nagarajan, R., Bennypaul, H., Sidhu, G.K., Sidhu, G., Rustgi, S., VonWettstein, D., and Gill, K.S. (2014). Silencing of a metaphase I-specific generesults in a phenotype similar to that of the Pairing homeologous 1 ( Ph1 ) gene mutations. Proc Natl Acad Sci U S A 111 , 14187-14192. Gill, K.S., Gill, B.S., Endo, T.R., andMukai, Y. (1993). Fine physical mapping of Ph1, a chromosome pairing regulatorgene in polyploid wheat. Genetics 134, 1231-1236. Griffiths, S., Sharp,R., Foote, T.N., Bertin, I., Wanous, M., Reader, S., Colas, I., and Moore, G.(2006). Molecular characterization of Ph1 as a major chromosome pairing locus in polyploid wheat. Nature 439 , 749-752. Jeon, J.-S., Chung,Y.-Y., Lee, S., Yi, G.-H., Oh, B.-G., and An, G. (1999). Isolation andcharacterization of an anther-specific gene, RA8 , from rice (Oryza sativa L.). Plant molecular biology 39 , 35-44. Martín, A.C., Rey,M.-D., Shaw, P., and Moore, G. (2017). Dual effect of the wheat Ph1 locus on chromosome synapsis andcrossover. Chromosoma 126 , 669-680. Martin, A.C., Shaw,P., Phillips, D., Reader, S., and Moore, G. (2014). Licensing MLH1 sites for crossover during meiosis. Nat Commun 5 , 4580. Sanchez-Moran, E.,Benavente, E., and Orellana, J. (2001). Analysis of karyotypic stability ofhomoeologous-pairing ( ph ) mutants inallopolyploid wheats. Chromosoma 110 , 371-377. Wang, A., Xia, Q.,Xie, W., Datla, R., and Selvaraj, G. (2003). The classical Ubisch bodies carrya sporophytically produced structural protein ( RAFTIN ) that is essential for pollen development. Proceedings of the National Academy ofSciences 100 , 14487-14492.; 5075 次阅读|0 个评论

“我要上PC”—小麦领域Plant Cell上论文合辑（九）: mashengwei 2018-1-30 21:41; 1 30 本期作者：Meng Wang 编者按：尽管近两年的 IF 不是很理想， Plant Cell （下简称 PC ）无疑仍是也将会继续是植物学研究的殿堂级期刊。从 11 月 28 日小编推送 PC 上小麦种子萌发 / 休眠的 QTL 文章开始，接下来每周周二，我们会将 2005 年以后在 PC 上发表的小麦领域研究论文进行逐一梳理和推送，以飨读者。需要特别指出的是，本合辑题为“我要上 PC ”，是比照“我要上春晚”而诙谐命名；由于对研究内容要求较系统、文章发表要求较高和审稿机制较严格， PC 上面的文章确实值得深入学习；但我们公众号倡导大家把更多的目光放在学习这些文章的思路、内容和意义上，而不是只看重和崇拜高影响因子 ^_^ 。最近中华大地上从北到南，白雪皑皑。看到一些做其他作物的童鞋，尤其是做大棚蔬菜研究的小伙伴，聊到大雪对这些作物的危害。不禁想到冬小麦的神奇，正所谓 “冬天麦盖三层被，来年枕着馒头睡” ，说的就是雪对于小麦的利处。而在小麦研究领域，春化、耐寒研究也是亮点满满的一个方向，包括Jorge院士和严六零老师克隆的 VRN1 - VRN4 ，以及种康院士组的工作（种院士可不是只做水稻，也做小麦哦）。所以，当常常听到有学生感叹小麦研究就是一个坑，我很想说，这个坑里有很多在别的坑挖不到的宝藏呢。今天讲解是2012年1月在PC上发表的文章“ The Ph1 Locus Suppresses Cdk2-Type Activity during Premeiosis and Meiosis in Wheat ”，关于小麦中独有的另一个宝藏的故事。其实 Ph1 的故事小编很早就知道，一直不敢写，一来这个遗传位点研究历史悠久，二来这个位点太经典、太有名，但又比较复杂，所以小编很怕能力有限，写不好。15年小编与一位利用酵母等做DNA复制和减数分裂方向“大生物学”基础研究的“青千”（回国两年，17年该青千在Cell上发表文章）聊天，没想到他也知道小麦中的 Ph1 ，可见 Ph1 的名气。今天硬着头皮写，不对之处还请海涵，欢迎指正。书归正传，该文主要在JIC完成，通讯作者是执着 Ph1 多年的Graham Moore教授。 Ph1 到底是负责什么的遗传位点呢？为什么说它是小麦独有的研究宝藏呢？我们一直说，小麦是异源六倍体作物，基因组是AABBDD，那么AA是像二倍体植物那样的同源染色体（Homologous chromosomes），而A与B（或D）则是多倍体植物特有的部分同源染色体（Homoeologous chromosomes）（见下图）。虽然称为部分同源染色体，但其之间相似度太太太高了，所以在减数分裂等的同源染色体配对（pairing）过程中，就容易出现一个问题：部分同源染色体被当做同源染色体而配对。 Ph1 （ P airing h omoeologous 1 ）就是这个过程的核心调控位点，通过促进同源染色体配对，而避免部分同源染色体配对，从而维持了小麦的基因组稳定性和遗传育性。 Moore教授曾在2008年写过一篇综述，题为“ The Ph1 locus - a story 50 years in the making ”。1958年，Riley和Chapman在Nature杂志报道了小麦5B染色体上存在一个遗传位点（ Ph1 ）,控制小麦的减数分裂染色体配对，揭开了故事的帷幕（下图）。时光飞逝到2018年， Ph1 的故事已经持续了60年之久。这60年里，一方面，以Sears等小麦先驱研究者为代表，尝试通过操纵 Ph1 ，提高染色体重组效率，促进小麦与其他近缘物种的种间杂交，加速小麦的育种；另一方面，随着遗传学和分子生物学的发展，以Moore为代表，尝试着通过图位克隆等手段去鉴定 Ph1 的基因和其背后的分子机制。 2006年， Moore 组在Nature报道了 Ph1 的图位克隆结果（下图），将 Ph1 定位为5B染色体一段2.5Mb的区域，这段区域中包含一段亚端粒异染色质片段（a segment of subtelomeric heterochromatin），这个片段有一串成串分布的 cdc2 （后称为 cdk2 ）基因，预测最有可能是 Ph1 的候选基因。但是奇怪的是，这串 cdc2 是一串假基因。 2007年，为了进一步说明这串 cdc2 就是 Ph1 的候选基因，Moore组又在Annals of Botany上发表“Detailed Dissection of the Chromosomal RegionContaining the Ph1 Locus in Wheat Triticum aestivum : With Deletion Mutants and Expression Profiling”，利用更多的突变体（由于 cdc2 是假基因，不适合做转基因），表达分析发现5B上的 cdc2 虽然是假基因，但可以影响5A和5D上的 CDC2 基因的表达，这可能是 Ph1 的作用机制。这里说一下CDC2到底是什么，其蛋白与哺乳动物的CDK2蛋白（cyclin-dependent kinase，周期蛋白依赖激酶）同源性最高，CDK2蛋白在动物等中已经证明，其磷酸化功能可以影响染色体凝聚状态（chromosome condensation）而调控细胞周期、DNA复制过程。这还没完，2008年，小麦研究的大牛Diter von Wettstein和Kulvinder S. Gill在PNAS也报道了 Ph1 的图位克隆结果，这次他们将 Ph1 定位到450kb的区域内，并暗示这段区域内的减数分裂特异基因 Zip1 , Scp1 , Cor1 , RAD50 , RAD51 , 和 RAD57 （尤其RAD系列可是减数分裂过程大名鼎鼎的调控蛋白）有可能是 Ph1 的候选基因。所以这篇12年的PC算是Moore组进一步证明为什么成串 cdc2 是 Ph1 的候选基因。研究主要是基于CDK2的作用机理，也就是CDK2的磷酸化功能，依靠药理学实验、遗传材料，分析了Ph1+和Ph1-材料中组蛋白H1的磷酸化程度，得出了“ cdc2 抑制其他 CDC2 基因的表达，进而影响到组蛋白H1等减数分裂重要蛋白磷酸化”的model。其在摘要中的这句“Our study does indeed reveal such effects, suggesting that Cdk2-type phosphorylation has amajor role in determining chromosome specificity during meiosis.”的背后意思确实也值得品味。不管怎样， Ph1 的发现和应用对于小麦的育种工作至关重要，所以解析 Ph1 的负责基因和其背后的作用机制也意义重大。不管成串的 cdc2 是不是 Ph1 的真正基因，Moore组提出的这个model也是很有意思的，尤其对于小麦这样一个存在大量重复基因和假基因的物种来说。这个model看似有点绕，又很新奇，或许这就是你们说的小麦就是一个坑吧，哈哈~; 个人分类: 文献推荐|1172 次阅读|0 个评论

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