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PISA:植物自交不亲和综合知识库
开花植物(被子植物)约占所有陆生植物的90%,是大多数生态系统的基础,在人类生计中起着关键作用。自交不亲和(Self-incompatibility,SI)存在于40%以上的被子植物中,是一种阻止可育植物自交受精的生殖机制。作为一个严格的内屏障,SI可以防止近亲繁殖并促进异交,这对维持遗传多样性和种群适应性生存至关重要。虽然SI保持了自然种群的遗传多样性,但它也给旨在实现性状一致性的育种计划带来了挑战。因此,了解SI机制对于杂交种子生产和作物产量提高至关重要,特别是在重要的经济属中,如茄属、李属、柑橘属和芸薹属。
在真核双子叶植物中,SI通常由高度多态的多等位基因S位点控制,而在禾本科植物中,它由两个独立遗传的多态多等位位点S和Z控制。这些基因座编码介导雌蕊-花粉识别的不同决定因素,并作为单一分离单元遗传,其变体称为S-单倍型。在真核双子叶植物中,导致自交花粉排斥的自交花粉不亲和性(SPI)是由同一S单倍型编码的雌蕊和花粉S决定簇的自我识别引发的。相比之下,在草中,SPI仅在S和Z单倍型匹配时发生。根据与花形态的关联,SI系统可分为同态(配子体和孢子体)和异型类型。在17-25个植物科中发现了配子体自交不亲和性(GSI),当其S单倍型与雌蕊中的两个S单倍型中的任何一个匹配时,GSI会拒绝自交花粉。相比之下,当孢子体花粉亲本的S单倍型与二倍体雌蕊中的任一S单倍型相匹配时,孢子体自身不亲和性(SSI)会抑制自身花粉。SSI存在于植物科中,包括十字花科、菊科、旋花科和桦木科。杂种优势是一种在28个科中发现的花多态性,包括报春科、时钟花科、亚麻科和木犀科,它结合了形态和生理不相容性,以防止形态内受精。
鉴于SI系统在不同植物科中的分子机制存在很大差异,这些系统可分为八种不同的类型。最普遍的机制是配子体1型SI,由雌蕊S-RNase和花粉S SLF控制。这种机制已在车前草科、茄科、蔷薇科和芸香科中得到证实。孢子2型 SI是十字花科的特征,由SRK和SP11/SCR确定。在罂粟中观察到的配子体3型SI受PrsS和PrpS控制。杂种优势涉及一个半合子S位点,该位点调节花形态和不亲和反应。该机制包括报春科植物中的4型SI,由CYP、GLO2、KFB、CCM和PUM控制;芜菁科植物中的5型SI,由SPH1、YUC6和BAHD定义;通过TSS1和WDR44测定的林科7型SI、木犀科8型SI,由GA2ox控制。禾本科植物的配子体6型 SI受S和Z位点控制,这两个位点都编码HPS10和DUF247I/II。
第三代测序技术的进步极大地改善了植物基因组组装,导致了专用基因组数据库的发展。例如,Sol基因组网络作为茄科物种的综合平台,整合了基因组、遗传和育种数据,而蔷薇科基因组数据库则提供了蔷薇科基因组和育种资源的集中存储库。尽管取得了这些进展,但在植物基因组研究和家族级数据库中,SI信息仍然被忽视,导致S基因座基因组资源利用不足。值得注意的是,茄科、车前草科、蔷薇科和芸香科的物种共享相同的SI类型;然而,现有的数据库没有整合这些家族的S位点数据进行系统分析。鉴于测序植物基因组的可用性不断增加,迫切需要一个全面的SI 知识库来促进SI机制、进化和作物育种应用的研究。
为了解决这一差距,Wang等人开发了植物自不亲和图谱(PSIA,图1,http://www.plantsi.cn/),这是一个用户友好且系统化的数据库,整合了来自11个植物科500多个物种的基因组组装数据,涵盖了所有8种SI类型。PSIA 整合了广泛的SI信息,包括其起源、进化、分子机制和工作模型。此外,PSIA系统地鉴定并注释了3700个S基因,并通过手动管理确保了准确性。PSIA提供了一套分析工具,包括全基因组BLAST、S基因BLAST、基因组浏览和SI数据分析。PSIA是第一个系统地编译和分析所有植物物种的SI相关基因组数据的知识库,这些物种具有特征明确的分子机制。此外,它是在被子植物范围内整合SI起源、进化和分子机制信息的第一个资源。因此,PSIA代表了迄今为止最全面的SI 知识库,是研究植物生殖生物学、SI机制及其对植物育种影响的重要资源。
图1 PSIA概述。A.八种已知SI类型的代表性物种。B.PSIA中目前包括的所有植物科的系统发育关系。C.SI物种的可用基因组资源。D.最新PSIA发布的SI相关数据摘要。E.八种SI类型的进化起源和多样化。F.示意图表示1型SI的分子机制,以及PSIA中所有八种SI类型的比较概述。G.实验推导出的矮牵牛SI 模型。H.S基因鉴定的计算管道。I.集成到PSIA中的关键分析工具。J.PSIA中BLAST和JBrowse工具的功能。K.比较茄属S-位点的同源性分析的示例输出。L.包括车前草科、茄科、蔷薇科和芸香科在内S-RNase系统发育重建
参考文献
[1] Wang C, Zhao H, Zhang H, Sun S, Xue Y. PSIA: A Comprehensive Knowledgebase of Plant Self-Incompatibility. Genomics Proteomics Bioinformatics. 2025 May 21:qzaf046. doi: 10.1093/gpbjnl/qzaf046.
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