育种新突破！突变一个基因，通过嫁接可传递“胁迫记忆”到后代

编辑:中国基因网发布于:遗传基因2023-02-096641

嫁接是一种提高嫁接接穗在双子叶植物和木本植物中的生长性能，增强果实品质，生产特性和抗病性的可行方法。迄今为止，嫁接对植物后代的影响的研究还很少。2020年10月23日，Nature Communicatons杂志在线发表了来自夕法尼亚州立大学 Sally A. Mackenzie课题组题为“MSH1-induced heritable enhanced growth vigor through grafting is associated with the RdDM pathway in plants”的研究论文。该研究组之前表明通过突变MSH1基因使植物获得“胁迫记忆”，表现为植物生长增强效应。该研究表明该效应还可以通过嫁接从根部传递给接穗及嫁接后代，表现为嫁接msh1砧木的番茄植株后代的产量提高了35％，并且可持续了五代之久。因此，该研究表明表观遗传修饰的砧木嫁接可以给作物育种带来新的方法！

值得一提的是，该研究组在2020年5月11日的Nature Communicatons杂志发表了题为“Segregation of an MSH1 RNAi transgene produces heritable non-genetic memory in association with methylome reprogramming”的研究论文。该研究研究表明通过操纵MSH1基因的表达，可以在后代中继承上代植物形式的“压力记忆”，从而使子代具有更强壮和更有生产力的生长潜力。Nat Communi 首次发现！突变一个基因，植物可将胁迫的“记忆”传递给后代

1.MSH1基因简介

MutS Homolog 1 (MSH1)基因是在植物中高度保守的核基因，编码一个翻译后定位于叶绿体和线粒体的双向定位蛋白。该蛋白在叶绿体和线粒体分别行使不同的功能。在线粒体中,MSH1蛋白的主要作用是抑制线粒体DNA的非正常重组,维持线粒体基因组的稳定。而在叶绿体中的功能还不清楚。

该课题组一直从事MSH1基因的研究。之前研究表明，在拟南芥中沉默MSH1基因后，植物会出现包括叶片绿白色相间、生长速率、开花期、侧枝发生、童期向成熟期的转换、非生物逆境胁迫抗性等方面的改变, 称为发育重编程(developmental reprogramming, DR)。此外，研究还表明，msh1突变体中的DNA甲基化发生重新编码和 siRNA 表达的变化，进而导致后代表现为生长发育的优势，如显示出更大的莲座丛，早花和增加的种子总重。

抑制MSH1表达的RNAi 导致多种植物的叶片杂色表型。（A）番茄，（B）烟草，（C）珍珠粟和（D）高粱。

通常认为，植物可以通过表观基因组的变化，快速的适应快速变化的环境，以实现表型可塑性的一种手段。表观遗传变异可包括小的RNA（sRNA）表达变化，DNA甲基化重新编程，组蛋白的翻译后修饰等变化。尽管在环境波动之后，已经在植物中观察到了所有这些形式变化，但是它们如何调控植物适应性仍不清楚。此外，siRNA可长距离运输，并且介导远端等DNA甲基化的变化，而这是否与基因表达有关并且是否可通过减数分裂直接遗传仍然也不清楚。

该研究利用了MSH1系统来重编程植物基因组内等表观修饰，进一步探索表观遗传学在植物适应环境中的作用机制。该研究首先将Col-0和msh1突变体作为砧木，然后将Col-0作为接穗嫁接，分别为Col-0/msh1和Col-0/Col-0。研究发现Col-0/msh1嫁接的种子后代（第1代）与对照的后代相比，植株显示出更大的莲座丛，早花和种子总重增加，并且可遗传至嫁接后的第二代，这种现象被称为可遗传的嫁接增强（HEG）。同时，在番茄中使用转基因Rutgers MSH1-RNAi品系作为砧木，Rutgers野生型用作接穗（R/msh1）。同样发现在嫁接子代中，果实产量和果实数量均显着增加（如下图）。

之后，该研究将上述所有材料进行为了了RNA测序，以探索增强生长表型的基因途径。分析发现差异表达基因主要富集在与胁迫和激素反应途径中，并且表明杂种优势和HEG效应中基因表达变化相似。之后，该研究还将上述所有材料进行了全基因组甲基化测序，通过分析差异甲基化基因（DMG）并富集分析确定了，这些基因主要富集植物激素信号传导网络中的途径，其中最重要是对生长素的反应，说明了植物激素网络的表观反应性。

之后该研究还发现拟南芥和番茄嫁接子代幼苗的总根长和侧根数均显着更大，进一步发现生长素运输可能与根表型改变有关。因此，该结果进一步证明了在生长素途径信号突出的甲基化效应与出现的HEG表型之间存在关系，并且还暗示如改变根生长和结构有助于我们观察到的生长增强。

最后，为了研究siRNA在HEG效应的作用，该研究得到了msh1dcl2/3/4四突变体。与Col-o/msh1嫁接后代相比，Col-0/msh1dcl2/3/4嫁接的后代的表型类似于Col-0/Col-0后代。并且进一步构建了甲基转移酶突变体drm2/msh1突变体，同样在Col-0/drm2msh1的嫁接后代没有表型的增加，说明了RdDM途径是msh1嫁接效应的主要原因。

综上所述，该研究表明msh1砧木在后代中具有明显的生长增强作用，表明嫁接后甲基化重编程效应可以遗传超过一个世代（番茄做到第五代都有）。此外，该研究还表明这种嫁接增强效应是通过siRNA的长距离运输后由RdDM介导，显示为RdDM依赖性差异甲基化的基因途径中的转录组变化，涉及表达的低幅度或空间调节变化，从而影响表型的定量变化。