科学家发现打破“一个细胞核，一个基因组”规则的真菌

基因组包含构建和维持生物体所需的完整信息库——生命的具象蓝图。

在真核生物中，基因组存储在细胞核中，在那里它们被组织成染色体。真核生物是一种生物体，其细胞具有被膜包围的细胞核：植物、动物、真菌和许多微生物都是真核生物。

例如，人类基因组由 23 条染色体组成，每条染色体都包含完整遗传密码的一部分。

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直到最近，人们一直认为每个细胞核至少包含一组完整的染色体，因此“一个细胞核，一个完整的基因组”规则。

然而，我们的研究表明，在两种真菌中，它们的基因组可以分裂成多个细胞核，每个细胞核只接收总染色体的一部分。

一个令人惊讶的发现

我们在不列颠哥伦比亚大学的实验室研究真菌菌核菌核菌 Sclerotinia sclerotiorum，这是一种土传病原体，会导致各种农作物（包括油菜籽、大豆和向日葵）出现茎腐病或白霉病。

尽管它对经济作物有影响，菌核链球菌 S. sclerotiorum遗传学和细胞生物学尚不清楚。

在试图更好地了解这种真菌的生物学特性时，我们的实验室对菌核链球菌 S. sclerotiorum细胞分裂和繁殖过程中的 16 条染色体。

大多数真核细胞是二倍体，这意味着细胞核包含每条不同染色体的两个拷贝。在许多真菌中，例如面包酵母，繁殖始于亲本二倍体细胞分裂形成单倍体孢子细胞，单倍体孢子细胞的一个细胞核容纳每条染色体的一个拷贝。

然而菌核链球菌 S. sclerotiorum孢子，称为子囊孢子，每个孢子都包含两个独立的细胞核。以前，假设每个细胞核都是单倍体，包含完整的 16 条染色体。这意味着每个子囊孢子总共包含 32 条染色体，类似于二倍体细胞。

使用荧光显微镜，我们能够直接计算单个子囊孢子中存在的染色体数量。值得注意的是，我们始终只观察到每个子囊孢子有 16 条染色体，这与当前“一个细胞核，一个完整基因组”理论预测的 32 条染色体相冲突。

此外，我们使用荧光探针标记特定的染色体，发现子囊孢子中的两个细胞核含有不同的染色体。子囊孢子包含一组 16 条染色体，分为两个细胞核，而不是每个细胞核包含一组完整的染色体。

不规则的方式

我们问的下一个问题是 16 条染色体是否随机分布在两个细胞核之间，或者这种基因组分裂是否遵循规则模式。

为了回答这个问题，我们分离了单个细胞核，并通过以下方式确定了哪些染色体存在聚合酶链反应 （PCR）分析。我们发现染色体组成在细胞核之间存在差异，这表明细胞核之间的染色体分裂是不规则的。

出于好奇，我们试图调查其他真菌中是否也会出现类似的现象。灰霉病是同一科的另一种植物病原真菌菌核链球菌 S. sclerotiorum.

B. 灰熊产生分生孢子，通常有四到六个细胞核，而不是在子囊孢子中经常观察到的两个菌核链球菌 S. sclerotiorum.使用类似的方法，我们发现B. 灰熊基因组在细胞核之间类似地分裂，每个细胞核通常携带三到八条染色体。

这一观察结果表明，单倍体基因组跨细胞核“分裂”发生在多种植物病原真菌中。然而，这种现象是否在真菌科甚至其他真核生物中传播得更广泛，还需要进一步研究。

未知的机制

观察到菌核链球菌 S. sclerotiorum和B. 灰熊单倍体基因组在细胞核中划分引发了关于这种分离如何在真菌生命周期的其余部分发挥作用的问题。

为了产生下一代，这些真菌需要用全套染色体改造二倍体细胞，从中可以产生新的子囊孢子。据推测，这需要细胞核与互补染色体融合才能重新组合基因组。那么这些真菌如何确保正确的细胞核融合呢？

也许最简单的解释是生存能力选择：细胞核可以随机融合，但只有那些具有完整基因组的细胞核才能产生活的子囊孢子。

这似乎效率低下，更具吸引力的情况将涉及某种结构或机制，以在初始分裂后将互补细胞核保持在一起，使它们能够在真菌生命周期的后期轻松重新组装。

我们希望我们未来的工作能够为这些有趣的问题提供答案，并有助于拓宽我们对细胞核及其基因组基本动力学的理解。

这种理解的提高将使基因编辑发生巨大革命，使研究人员能够随意纵染色体和细胞核。

李昕， 植物学教授，不列颠哥伦比亚大学;埃丹·杰克逊， 博士生， 植物学，不列颠哥伦比亚大学和李志强， 硕士研究生， 医学，不列颠哥伦比亚大学

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