多倍化会破坏沙漠野生马铃薯物种（Solanum kurtzianum）的干旱响应机制和表观遗传模式

《Plant Science》：Polyploidization disrupts drought response and epigenetic patterns in the desert wild potato species Solanum kurtzianum

多倍体植物在干旱胁迫下的表型与表观遗传响应差异及其对马铃薯育种的意义。通过比较二倍体和自四倍体Solanum kurtzianum的形态生理及表观遗传特征，发现二倍体在中等水分胁迫下表现出更强的耐旱性和更高的块茎产量，而四倍体因基因组不稳定导致DNA甲基化模式更易变，在严重干旱时适应性较差。研究揭示了多倍体可能通过基因组不稳定削弱干旱适应性的机制，为培育抗旱马铃薯品种提供理论依据。

Damián N. Jerez | Carina V. González | Perla C. Kozub | Verónica N. Iba?ez | Federico Berli | Ricardo W. Masuelli | Carlos F. Marfil

门多萨农业生物学研究所（IBAM），CONICET-UNCuyo，阿根廷门多萨

摘要

多倍体是指细胞内拥有超过两组染色体的现象，通常与植物适应性和抗逆性增强有关，尽管它可能会引入基因组不稳定性和适应性成本。在本研究中，我们探讨了Solanum kurtzianum（一种耐旱的野生马铃薯近缘种）的多倍体水平与其对干旱胁迫的表观遗传反应之间的相互作用。Solanum kurtzianum的二倍体和通过使用抗有丝分裂剂oryzalin诱导产生的新四倍体品系分别接受了三种不同的灌溉处理，并评估了它们的形态、生理、生化和表观遗传反应。在轻度水分胁迫下，二倍体在耐旱性和块茎产量方面表现优于四倍体，其气孔导度较低，但光化学效率相当。表观遗传分析显示，多倍体水平与干旱条件对甲基化模式有显著影响，四倍体在严重干旱条件下表现出更高的甲基化变异性和更大的基因组不稳定性。这些发现与二倍体野生马铃薯在干旱地区的优势一致，并表明多倍体引起的基因组不稳定性可能会影响其抗旱能力。该研究强调了二倍体野生马铃薯在干旱环境中的适应潜力以及表观遗传机制在应激反应中的作用。我们的结果对马铃薯育种策略具有启示意义，突显了二倍体在培育耐旱品种以应对气候变化挑战方面的潜力。

引言

多倍体是指细胞内存在三组或更多组完整染色体的现象，这是植物中普遍存在的状态。据估计，现有被子植物物种中有30-80%在其进化过程中经历了多倍体化（Otto, 2007; Jiao et al., 2011; Heslop-Harrison et al., 2023）。多倍体被认为是植物进化和物种形成的主要驱动力之一（Leitch and Leitch, 2008; Doyle and Coate, 2019）。然而，全基因组复制在抗逆性和植物分布扩展中的作用仍存在争议。多倍体使植物能够适应多种生境并占据新的生态位（Leitch and Leitch, 2008; Van de Peer et al., 2021），这得益于基因拷贝的重复、基因表达模式的改变以及基因组重排所产生的新表型多样性（Cui et al., 2006; Clark and Donoghue, 2018）。多倍体还与形态和生理特征的改变有关，例如植物体积和生物量的增加，包括根系生长的增强，这可能有助于提高对生物和非生物胁迫的耐受性（Leitch and Leitch, 2008; Soltis et al., 2015; Van de Peer et al., 2021; Islam et al., 2022）。然而，也有相反的研究结果，这可能反映了多倍体化的代价，如有丝分裂或减数分裂的不规则性和适应性降低，这些因素可能会抵消其潜在优势（Comai, 2005; Otto, 2007; Clo and Kolá?, 2021）。因此，多倍体并不总是能赋予植物抗逆性或更广泛的地理分布范围（Nunvá?ová Kabátová et al., 2019; Lu et al., 2020; Clo, 2022; Mata et al., 2023; Yu et al., 2024）。批评“多倍体优势”假说的人认为，虽然多倍体可能在短期内带来适应性益处，但它并不一定能确保长期的进化成功（Otto and Whitton, 2000; Soltis et al., 2015; Baduel et al., 2018）。混合证据表明，多倍体在某些条件下可能有益，但其抗逆作用高度依赖于物种特异性和具体环境。 多倍体的形成涉及重大的基因组重排，通常伴随着表观遗传修饰，这可能导致不同细胞型之间的应激反应差异（Lu et al., 2020）。近年来，表观遗传机制在植物对各种胁迫反应中的作用受到了越来越多的关注（Singh et al., 2021）。这些机制使生物体能够通过稳定特定基因表达模式来应对环境变化（Zhang et al., 2018a）。因此，表观遗传信息对于理解植物对环境波动和胁迫的反应尤为重要（Verhoeven et al., 2016; Chang et al., 2020）。 马铃薯（Solanum属Petota组）为研究多倍体、表观遗传和胁迫之间的相互作用提供了有价值的模型。Petota组包含超过100个分类物种，包括野生和栽培马铃薯（Peralta et al., 2021），形成一个从二倍体（2n=24）到六倍体（2n=72）的整倍体系列。大多数野生物种是二倍体（65%），其次是四倍体（10%）、同时具有二倍体和三倍体细胞型的物种（10%）、六倍体（6%）以及三倍体（3%）（Peralta et al., 2021）。野生马铃薯具有广泛的生态适应性，生长范围从海平面到海拔4000米以上，涵盖了从沙漠到雨林的各种环境（Hawkes, 1990）。有三种栽培马铃薯的倍体水平从二倍体到五倍体不等（Peralta et al., 2021）。现代马铃薯Solanum tuberosum sp. tuberosum是四倍体，是全球第三大重要粮食作物，过去60年的种植面积一直保持在约2000万公顷（FAOSTAT, 2021）。 已经研究了倍体变异对野生马铃薯地理和环境适应性的影响（Hijmans et al., 2007）。基因组复制似乎有助于马铃薯扩展到更寒冷和更湿润的地区。相比之下，三倍体细胞型倾向于出现在温暖和干燥的地区，而在温带干燥环境中，二倍体比多倍体更为常见（Hijmans et al., 2007）。在新的野生和栽培马铃薯多倍体中，已经研究了全基因组复制的表型、遗传、表观遗传和转录组效应。这些研究揭示了多倍体与其二倍体亲本之间的细微转录组差异和遗传重排，以及广泛的表观遗传重塑，显示出由同一二倍体亲本衍生的多倍体具有不同的反应（Stupar et al., 2007; Aversano et al., 2013; Aversano et al., 2015; Marfil et al., 2018; Cara et al., 2020）。虽然DNA甲基化模式的变异性有助于野生马铃薯种群的表型可塑性和适应性（Cara et al., 2013; Iba?ez et al., 2021b），但尚未有实证研究比较不同马铃薯细胞型对水分亏缺的表型和表观遗传反应。 鉴于气候变化预测下的干旱频率和严重程度的增加（政府间气候变化专门委员会IPCC 2023），了解植物对水分亏缺的反应对于开发具有气候适应性的农业系统（Lobell et al., 2008; Nhemachena et al., 2020）以及保护生态系统功能和生物多样性（Zuo et al., 2022）至关重要。在本研究中，我们探讨了二倍体或多倍体马铃薯哪种更适合干旱环境，以及倍体水平和水分处理如何影响DNA甲基化模式。我们假设二倍体基因型比四倍体品系更能应对干旱，因为多倍体的固有基因组不稳定性可能会影响其对水分亏缺的表观遗传反应。

植物材料

Solanum kurtzianum是一种二倍体野生马铃薯，生长在年平均温度为13°C、年平均降水量为314毫米的地区（Cabrera, 1976; Hijmans et al., 2002）。本研究中使用了天然二倍体基因型K（2n=24）以及通过使用抗有丝分裂剂oryzalin获得的两条四倍体品系（A1和A3；2n=48；Marfil et al., 2018）。这些四倍体品系经过连续12个营养周期的无性繁殖。

灌溉处理对植物水分状态的影响

在整个实验过程中，基质含水量（SWC；水分克数/土壤克数）分别保持在37.7%、19.2%和11.9%（图1B）。这些值分别对应于土壤持水能力的100%、50%和30%。关于叶片的相对含水量（RWCleaf），WW组的平均值最高（73.3%），其次是MWD组（60%），最后是SWD组（54.1%）（图1C）。

讨论

多倍体在一年生和多年生植物中都与对生物和非生物胁迫的耐受性增强有关（Soltis et al., 2015; Xu et al., 2019; Rao et al., 2020; Van de Peer et al., 2021）。然而，在本研究中，我们发现沙漠马铃薯物种S. kurtzianum的二倍体基因型比其四倍体衍生物具有更强的耐旱性。如果来自多个二倍体亲本的多倍体品系数量更多，将能够提供更全面的结论。

资助

本研究得到了Agencia I+D+I（PICT-2020-03991和PICT-2021-938）、国立库约大学（SIIP 06/A026T1）和INTA（2023-PD-L01-I085）的支持。

CRediT作者贡献声明

Carina V. González：写作 – 审稿与编辑、监督、研究、概念化。 Perla C. Kozub：写作 – 审稿与编辑、方法学、研究。 Verónica N. Iba?ez：写作 – 审稿与编辑、研究。 Federico Berli：写作 – 审稿与编辑、研究。 Ricardo W. Masuelli：资源提供。 Carlos F. Marfil：写作 – 审稿与编辑、项目管理、资金获取、概念化。 Damián N. Jerez：写作 – 审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

Jerez Damian Nicolas是阿根廷国家科学技术研究委员会（CONICET）的成员。

术语表

ABA

脱落酸

DSI

干旱敏感性指数

DTI

耐旱性指数

gs

气孔导度

MSAP

甲基化敏感扩增多态性

MWD

轻度水分亏缺

RWC

相对含水量

SD

气孔密度

SI

气孔指数

SL

气孔长度

SWD重度水分亏缺

TOL耐受性指数

UVACs紫外线吸收化合物

WW水分充足

YSI产量稳定性指数