近日，我校生命科學(xué)學(xué)院宮磊教授研究團(tuán)隊(duì)在核質(zhì)協(xié)同進(jìn)化機(jī)制的研究取得系列重要進(jìn)展，該研究以多種異源多倍體植物為研究材料，以RuBisCo酶為研究對(duì)象，首次揭示了RuBisCo酶生物合成組裝過(guò)程中伴侶蛋白基因核質(zhì)協(xié)同信號(hào)的變化規(guī)律，為植物核質(zhì)協(xié)同研究開(kāi)拓了新維度。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)還著眼于真菌界核質(zhì)協(xié)同進(jìn)化的研究，為核質(zhì)協(xié)同進(jìn)化在真菌界的普遍性提供支持。
RuBisCo是一種由核基因和質(zhì)體基因編碼的多亞基蛋白，是光合作用的關(guān)鍵酶，其生物合成過(guò)程涉及諸多分子伴侶參與。宮磊教授團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了不同雜交多倍體植物（擬南芥、棉花、煙草和小麥）中分子伴侶基因的核質(zhì)協(xié)同模式的共同特征，包括基因組層面父本向母本的基因轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)錄組層面母本優(yōu)勢(shì)的基因表達(dá)。這些特征在RuBisCo早期折疊階段最明顯，而在后期的組裝階段則減弱或消失。這項(xiàng)研究不僅揭示了雜交多倍體植物中核質(zhì)協(xié)同進(jìn)化的普遍性，而且對(duì)于理解RuBisCo生物合成過(guò)程中協(xié)同蛋白和分子伴侶基因的進(jìn)化、中間復(fù)合物的結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)以及Raf2分子伴侶的作用階段都有重要意義。相關(guān)研究成果以“A temporal gradient of cytonuclear coordination of chaperonins and chaperones during RuBisCo biogenesis in allopolyploid plants”為題，發(fā)表于國(guó)際著名期刊《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》上（PNAS,2022,Vol. 119,No. 34,e2200106119）。生命科學(xué)學(xué)院李長(zhǎng)平博士、丁寶旭博士和馬欣彤博士為該論文的共同第一作者，宮磊教授、王天雅副教授和吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院李毅丹副研究員為該論文的共同通訊作者。
圖1 RuBisCo蛋白酶在不同階段的核質(zhì)互作顯示動(dòng)態(tài)的協(xié)同特征
在后續(xù)的研究中，團(tuán)隊(duì)將研究拓展至單細(xì)胞水平，并以全基因組范圍內(nèi)類(lèi)似RuBisCo小亞基的具有細(xì)胞器靶向性核基因?yàn)檠芯繉?duì)象，利用單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序手段，分析了花生、棉花和小麥三種異源多倍體不同細(xì)胞類(lèi)型的部分同源基因表達(dá)偏好，發(fā)現(xiàn)母方表達(dá)偏好在不同物種、細(xì)胞類(lèi)型和發(fā)育階段都有變化，反映了核質(zhì)協(xié)同進(jìn)化的多樣性及動(dòng)態(tài)性，該研究為單細(xì)胞水平進(jìn)行進(jìn)化規(guī)律及特異性的探索提供了新的方向。相關(guān)研究成果以“Cell type–specific cytonuclear coevolution in three allopolyploid plant species”為題，發(fā)表于國(guó)際著名期刊《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》上（PNAS,2023,Vol.120,No. 40,e2310881120）。生命科學(xué)學(xué)院張可人博士為該論文的第一作者，宮磊教授、王天雅副教授和南方科技大學(xué)龍艷萍教授為該論文的共同通訊作者。
圖2不同細(xì)胞類(lèi)型展現(xiàn)了核質(zhì)協(xié)同轉(zhuǎn)錄水平空間及時(shí)間層面的多樣化模式
除異源多倍體植物外，團(tuán)隊(duì)也著眼于真菌界的天然多倍體拉格酵母核質(zhì)協(xié)同進(jìn)化的研究，通過(guò)構(gòu)建全生長(zhǎng)時(shí)期的轉(zhuǎn)錄譜，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄與基因轉(zhuǎn)換這兩種協(xié)同機(jī)制相互補(bǔ)償，以更靈活的方式驅(qū)動(dòng)不同功能的細(xì)胞器靶向性基因?qū)崿F(xiàn)異源核質(zhì)的協(xié)同進(jìn)化。這些結(jié)果為理解拉格酵母的進(jìn)化和適應(yīng)提供了新的見(jiàn)解，同時(shí)為核質(zhì)協(xié)同進(jìn)化在真菌界的普遍性提供支持。相關(guān)研究成果以“Compensatory Genetic and Transcriptional Cytonuclear Coordination in Allopolyploid Lager Yeast(Saccharomyces pastorianus)”為題，發(fā)表于國(guó)際著名期刊《Molecular Biology and Evolution》上（Mol. Biol. Evol.，msac228）。生命科學(xué)學(xué)院張可人博士為該論文的第一作者，宮磊教授和劉寶教授為該論文的共同通訊作者。
圖3拉格酵母全生長(zhǎng)時(shí)期各階段特異性的亞基因組偏好狀態(tài)轉(zhuǎn)變
多年來(lái)，宮磊教授團(tuán)隊(duì)立足服務(wù)國(guó)家糧食安全，核心方向定位核質(zhì)協(xié)同進(jìn)化，著力于多倍體作物種質(zhì)資源創(chuàng)新與釀酒酵母菌株改造。團(tuán)隊(duì)先后在PNAS，Molecular Biology and Evolution，National Science Review，New Phytologist，Plant Journal等國(guó)際高水平刊物上發(fā)表研究論文十余篇，在該領(lǐng)域影響顯著，獲得國(guó)內(nèi)外同行的一致好評(píng)，標(biāo)志著我校生命科學(xué)學(xué)院在核質(zhì)協(xié)同進(jìn)化領(lǐng)域的研究達(dá)到了一個(gè)新的高度，更是生命科學(xué)學(xué)院凝練學(xué)科方向的重要成果。
