我院在核质协同进化研究领域取得系列重要进展

近日，我院宫磊教授研究团队在核质协同进化机制的研究取得系列重要进展，该研究以多种异源多倍体植物为研究材料，以RuBisCo酶为研究对象，首次揭示了RuBisCo酶生物合成组装过程中伴侣蛋白基因核质协同信号的变化规律，为植物核质协同研究开拓了新维度。同时，团队还着眼于真菌界核质协同进化的研究，为核质协同进化在真菌界的普遍性提供支持。

RuBisCo是一种由核基因和质体基因编码的多亚基蛋白，是光合作用的关键酶，其生物合成过程涉及诸多分子伴侣参与。宫磊教授团队发现了不同杂交多倍体植物（拟南芥、棉花、烟草和小麦）中分子伴侣基因的核质协同模式的共同特征，包括基因组层面父本向母本的基因转换和转录组层面母本优势的基因表达。这些特征在RuBisCo早期折叠阶段最明显，而在后期的组装阶段则减弱或消失。这项研究不仅揭示了杂交多倍体植物中核质协同进化的普遍性，而且对于理解RuBisCo生物合成过程中协同蛋白和分子伴侣基因的进化、中间复合物的结构和功能特点以及Raf2分子伴侣的作用阶段都有重要意义。相关研究成果以“A temporal gradient of cytonuclear coordination of chaperonins and chaperones during RuBisCo biogenesis in allopolyploid plants”为题，发表于国际著名期刊《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》上（PNAS,2022,Vol. 119,No. 34,e2200106119）。我院李长平博士、丁宝旭博士和马欣彤博士为该论文的共同第一作者，宫磊教授、王天雅副教授和吉林省农业科学院李毅丹副研究员为该论文的共同通讯作者。

图1 RuBisCo蛋白酶在不同阶段的核质互作显示动态的协同特征

在后续的研究中，团队将研究拓展至单细胞水平，并以全基因组范围内类似RuBisCo小亚基的具有细胞器靶向性核基因为研究对象，利用单细胞转录组测序手段，分析了花生、棉花和小麦三种异源多倍体不同细胞类型的部分同源基因表达偏好，发现母方表达偏好在不同物种、细胞类型和发育阶段都有变化，反映了核质协同进化的多样性及动态性，该研究为单细胞水平进行进化规律及特异性的探索提供了新的方向。相关研究成果以“Cell type–specific cytonuclear coevolution in three allopolyploid plant species”为题，发表于国际著名期刊《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》上（PNAS,2023,Vol.120,No. 40,e2310881120）。我院张可人博士为该论文的第一作者，宫磊教授、王天雅副教授和南方科技大学龙艳萍教授为该论文的共同通讯作者。

图2不同细胞类型展现了核质协同转录水平空间及时间层面的多样化模式

除异源多倍体植物外，团队也着眼于真菌界的天然多倍体拉格酵母核质协同进化的研究，通过构建全生长时期的转录谱，发现转录与基因转换这两种协同机制相互补偿，以更灵活的方式驱动不同功能的细胞器靶向性基因实现异源核质的协同进化。这些结果为理解拉格酵母的进化和适应提供了新的见解，同时为核质协同进化在真菌界的普遍性提供支持。相关研究成果以“Compensatory Genetic and Transcriptional Cytonuclear Coordination in Allopolyploid Lager Yeast(Saccharomyces pastorianus)”为题，发表于国际著名期刊《Molecular Biology and Evolution》上（Mol. Biol. Evol.2022，msac228）。我院张可人博士为该论文的第一作者，宫磊教授和刘宝教授为该论文的共同通讯作者。

图3拉格酵母全生长时期各阶段特异性的亚基因组偏好状态转变

多年来，宫磊教授团队立足服务国家粮食安全，核心方向定位核质协同进化，着力于多倍体作物种质资源创新与酿酒酵母菌株改造。团队先后在PNAS，Molecular Biology and Evolution，National Science Review，New Phytologist，Plant Journal等国际高水平刊物上发表研究论文十余篇，在该领域影响显著，获得国内外同行的一致好评，标志着我院在核质协同进化领域的研究达到了一个新的高度，更是我院凝练学科方向的重要成果。