王夢娜 劉康偉 王冷靜 代強(qiáng) 馮海洋 張超 于恒秀

摘要：基因組包含生物體的全部遺傳信息（部分病毒是RNA），維持染色體的結(jié)構(gòu)、數(shù)目及遺傳信息的相對穩(wěn)定，是物種得以生存和延續(xù)的前提與保障。水稻作為重要的糧食作物之一，其基因組穩(wěn)定是保障糧食生產(chǎn)和發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要前提。DNA損傷是一種危害性很高的損傷形式，及時、正確的修復(fù)是維持基因組穩(wěn)定的基礎(chǔ)。DNA損傷首先會激活DNA損傷反應(yīng)（DDR），DDR一方面阻止受損細(xì)胞攜帶錯誤信息繼續(xù)分裂，另一方面積極促進(jìn)各種修復(fù)途徑，如非同源末端連接（NHEJ）、同源重組（HR）和核苷酸切除修復(fù)（NER）等，這些修復(fù)途徑相互協(xié)調(diào)，相互競爭。本文簡述影響基因組穩(wěn)定性的多種因素，重點(diǎn)是DNA損傷和修復(fù)的分子機(jī)制，以及在水稻生長發(fā)育過程中各關(guān)鍵基因?qū)τ诰S持基因組穩(wěn)定的重要性，并探討水稻基因組穩(wěn)定性研究的未來方向。

關(guān)鍵詞：水稻；基因組穩(wěn)定性；DNA損傷；DSB修復(fù)

中圖分類號：S336? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-1302（2023）23-0001-08

水稻（Oryza sativa L.）是世界上最主要的糧食作物之一，其產(chǎn)量約占世界糧食總產(chǎn)量的1/4，世界上有一半以上人口以水稻為主食。自1998年實施“國際水稻基因組測序計劃（IRGSP）”到2004年完成水稻基因組序列全圖繪制，水稻成為第1個完成全基因組測序的作物，也是繼擬南芥之后第2個完成基因組測序的植物，高度準(zhǔn)確和公開的IRGSP序列，為水稻基因組的功能研究打開了大門。利用基因組信息，我們可以了解自然界和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的各種表型變異是如何產(chǎn)生的。在此基礎(chǔ)上，利用生物技術(shù)和分子育種技術(shù)，有望篩選出極端自然環(huán)境下基因組穩(wěn)定性較高的品種，從而實現(xiàn)豐產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的目標(biāo)；與此同時，影響基因組不穩(wěn)定的機(jī)理也被緩緩揭開。

1 基因組穩(wěn)定性對生物體具有重要作用

基因組（genome） 包含生物所有遺傳物質(zhì)的總和。每種生命形式的首要目標(biāo)是將其遺傳物質(zhì)完整無缺地傳遞給下一代，積極維持基因組穩(wěn)定性是個體生長發(fā)育的先決條件；基因組不穩(wěn)定是導(dǎo)致生物體走向凋亡的重要因素。

已知釀酒酵母全基因組有6 275個基因，其中超過80%的預(yù)測基因是非關(guān)鍵基因，這些基因的存在表明基因組能夠緩沖基因損傷對基因組穩(wěn)定性的危害，而一些必需基因的缺失對酵母細(xì)胞來說是致命的；研究發(fā)現(xiàn)，有151個基因中任何1個缺失或者多個改變，都會引起基因組結(jié)構(gòu)的變化或基因組不穩(wěn)定性的產(chǎn)生［1-2］。如RecQ介導(dǎo)的基因組不穩(wěn)定蛋白1（Rmi1），缺乏Rmi1的酵母細(xì)胞對羥基脲和其他遺傳毒性物質(zhì)過敏，自發(fā)DNA損傷頻率增加，表現(xiàn)為Rad52病灶增加、染色體重排增加、DNA損傷檢查點(diǎn)激酶Rad53活化不足。Rmi1與RecQ解旋酶Sgs1、拓?fù)洚悩?gòu)酶Top3α形成STR復(fù)合物，可以解旋各種停滯或塌陷的復(fù)制叉引起的結(jié)構(gòu)，這些復(fù)制叉多是由DNA變異引起的［3］。因此，這些必需基因及其產(chǎn)物可以保護(hù)基因組免受不穩(wěn)定性因素的影響。

在人體細(xì)胞中，每天約有1013個細(xì)胞受到損傷，其中大多數(shù)細(xì)胞都能得到有效修復(fù)，但仍有部分未被及時修復(fù)或修復(fù)不正確，低水平的突變使個體之間自然變異，并導(dǎo)致進(jìn)化［4-5］。然而突變也會導(dǎo)致人類疾病發(fā)生，包括以基因組不穩(wěn)定性升高為代表的癌癥。例如，在免疫球蛋白基因（Ig）中發(fā)現(xiàn)的胸腺嘧啶/鳥嘌呤堿基的高比例突變，引起慢性淋巴細(xì)胞白血病；在乳腺癌、卵巢癌、胰腺癌病例中發(fā)現(xiàn)大量較大片段的基因缺失，最終導(dǎo)致病變發(fā)生［6］。這些突變將會阻礙基因組復(fù)制及轉(zhuǎn)錄，導(dǎo)致基因組不穩(wěn)定或嚴(yán)重突變的發(fā)生，從而威脅細(xì)胞甚至生物體的活力。

在植物中，基因和基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)功能的多樣化和完整性，是維持基因組穩(wěn)定的決定因素，許多對細(xì)胞產(chǎn)生不利影響的因素終將被消除。玉米中大部分基因組由逆轉(zhuǎn)錄元素組成，由于反轉(zhuǎn)錄作用，基因組在進(jìn)化過程中不斷“壯大”，DNA雙鏈斷裂（DSB）修復(fù)過程將有助于基因組的“縮小”，以維持基因組穩(wěn)定。SMC5/6復(fù)合物參與DNA雙鏈斷裂修復(fù)；在擬南芥中，SWI3B作為SWI/SNF復(fù)合體的一個亞基，與SMC5相互作用，促進(jìn)SMC5與染色體的解離［7］。SWI3B的功能缺失或過表達(dá)，都會破壞SMC5在DSB上的募集以響應(yīng)DNA損傷，通過影響DNA的修復(fù)過程，對基因組穩(wěn)定產(chǎn)生威脅。

水稻基因組的穩(wěn)定性體現(xiàn)在多個方面，如表觀遺傳是否變化、染色質(zhì)結(jié)構(gòu)是否改變、基因調(diào)控之間聯(lián)系是否穩(wěn)定等。基因組不穩(wěn)定，不僅改變水稻的生長特性，更可能對其遺傳發(fā)育進(jìn)程產(chǎn)生影響，并且大多數(shù)是不利影響。因此，了解水稻基因組的穩(wěn)定性，對水稻生長發(fā)育、抗逆抗病研究及發(fā)展現(xiàn)代育種意義重大。

2 影響基因組穩(wěn)定的因素

2.1 DNA復(fù)制的隨機(jī)誤差

如同所有的天然化合物，DNA也經(jīng)歷自然衰變過程，如烷基化、氧化和脫氨。從分子水平上看，DNA十分穩(wěn)定，能準(zhǔn)確地復(fù)制和轉(zhuǎn)錄，但這種穩(wěn)定性是相對的。DNA在復(fù)制過程中會出現(xiàn)誤差，如基因結(jié)構(gòu)上堿基對的組成或排列順序改變，這些誤差造成個體間的遺傳學(xué)差異，是遺傳多樣性和自然選擇的來源，因此突變有利于進(jìn)化；但大多數(shù)基因突變會對生物體帶來不利影響，除了引起病變外，還可能造成生物死亡等；在細(xì)胞正常生長過程中，DNA復(fù)制錯誤是基因組不穩(wěn)定的主要來源［8］。

2.2 染色體的空間排列及結(jié)構(gòu)

全基因組中被稱為脆性位點(diǎn)（fragile site）的各個區(qū)域都容易發(fā)生染色體斷裂，特別是當(dāng)細(xì)胞處在快速分裂的壓力下。有研究證實，DNA結(jié)構(gòu)在共同脆性位點(diǎn)（CFS）中起著重要作用［9］；基因組中的重復(fù)序列是內(nèi)源性DNA損傷的主要來源，其中許多序列傾向于形成與B-DNA不同的二級結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)可以干擾復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和DNA修復(fù)，導(dǎo)致基因組重排、形成染色體橋和染色體斷裂［10］。此外，這些重復(fù)序列容易斷裂（脆性）和不穩(wěn)定（重復(fù)次數(shù)發(fā)生變化）。

轉(zhuǎn)錄過程會形成一個特殊結(jié)構(gòu)，即R-loop，R-loop 是細(xì)胞內(nèi)的一種特殊三鏈核酸結(jié)構(gòu)（圖1）。該結(jié)構(gòu)大量存在于著絲粒周圍的DNA、端粒、核糖體DNA以及轉(zhuǎn)錄起始和終止子附近，在 R-loop 形成過程中，暴露的單鏈DNA（ssDNA）可延伸至數(shù)百個堿基對，DNA極易受到損傷［11］。轉(zhuǎn)錄復(fù)制沖突（TRC）是基因組不穩(wěn)定的另一個重要來源，由于DNA復(fù)制和RNA轉(zhuǎn)錄過程中使用相同的基因組作為模板，復(fù)制和轉(zhuǎn)錄同時存在時爭奪相同的DNA模板，2種復(fù)合物之間的碰撞（無論是同向還是反向）導(dǎo)致復(fù)制叉折疊，誘導(dǎo)DNA復(fù)制叉停滯、DNA重組、DNA斷裂和突變，從而導(dǎo)致基因組不穩(wěn)定［12］。

2.3 物理化學(xué)因素影響基因組穩(wěn)定性

物理和化學(xué)因素都會對DNA造成損傷。物理因素主要是各種放射源，如紫外線、X射線。紫外線會使DNA鏈中相鄰的胞嘧啶與嘧啶交聯(lián)，生成共價鍵。電離輻射（IR）可以通過對DNA糖骨架的直接高能損傷來誘導(dǎo)DSB，也可通過細(xì)胞中產(chǎn)生的自由基制造活性氧（ROS）來誘導(dǎo)DSB［13］。ROS是需氧生物細(xì)胞呼吸過程中電子傳遞鏈（ETC）的典型副產(chǎn)物，另外還來源于氧化酶分解代謝過程、合成代謝過程和過氧化物酶體代謝過程［14］。生物體具有精細(xì)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可以保持非常低的ROS水平，即它們的產(chǎn)生和消除是平衡的，從而產(chǎn)生一定的穩(wěn)態(tài)ROS水平。在低水平上，ROS執(zhí)行重要的細(xì)胞功能，如在氧化還原信號傳導(dǎo)反應(yīng)中充當(dāng)細(xì)胞信使等。高水平的ROS會損傷DNA，包括糖和堿基的氧化、鏈斷裂和交聯(lián)鍵。鳥嘌呤是最容易被氧化的堿基之一，它的氧化還原電位很低，8-氧代-7，8-二氫鳥嘌呤（8-oxoG）是最豐富和最具特征性的損傷之一，ROS的產(chǎn)生是對基因組穩(wěn)定性的重要威脅［15］。

化學(xué)誘變劑包括烷化劑、堿基類似物等，烷化劑主要由廚房油煙、煙草煙霧、化工實驗和醫(yī)療過程等產(chǎn)生，其能夠在體內(nèi)外或代謝活化后直接與DNA反應(yīng)，如二烷基亞硝胺、甲磺酸乙酯、硫酸二乙酯、乙烯亞胺等，這些化學(xué)物質(zhì)中的大多數(shù)表現(xiàn)出不同程度的致癌性和致突變性，并表現(xiàn)出化合物特異性結(jié)合模式［16-17］。堿基類似物是一類結(jié)構(gòu)與堿基相似的人工合成物，如二氨基嘌呤、5-溴尿嘧啶等，這些物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞后能摻入到DNA鏈中與正常堿基競爭，取代其位置發(fā)生堿基替換或引起配對錯誤，進(jìn)而產(chǎn)生突變。

2.4 各種脅迫引起基因組不穩(wěn)定

植物在長期進(jìn)化過程中與大自然和諧共生，隨著自然環(huán)境的日益變化，植物在生長發(fā)育過程中頻繁遭受不利因素的侵?jǐn)_，按其來源可分為生物和非生物因素。生物脅迫多是由于植物遭受病蟲害（主要包括害蟲、病毒、細(xì)菌、真菌）的威脅，而非生物性脅迫則來自其生長環(huán)境，即逆境（less favorable environments），包括高溫、低溫、干旱、鹽堿脅迫等。這些逆境極大限制了植物的分布，降低其生長和發(fā)育活性，并威脅基因組的穩(wěn)定性［18］。

高溫使水稻產(chǎn)生熱應(yīng)激，限制其生長和新陳代謝，并導(dǎo)致產(chǎn)量損失。植物在生殖階段對溫度更敏感，高溫可以引起重組率和重組模式的變化，使軸蛋白聚集和突觸形成失敗，增加DNA修復(fù)過程的偏差，受精過程受損，最終導(dǎo)致敗育［19］。在種子填充過程中，高溫減緩了種子生長從而影響籽粒大?。?0-21］。致力于抗熱種質(zhì)資源的尋找及發(fā)掘，探究耐熱通路調(diào)控的機(jī)理，培育具有綜合耐熱能力的作物品種，在全球氣溫不斷攀升的今天意義重大。

植物的另一關(guān)鍵威脅是鹽脅迫，鹽脅迫可導(dǎo)致植物產(chǎn)生滲透脅迫、離子脅迫和氧化脅迫。滲透脅迫在鹽脅迫產(chǎn)生時立即發(fā)生，由水分利用率降低引起，涉及氣孔關(guān)閉、葉片溫度升高、細(xì)胞周期抑制和細(xì)胞凋亡。氣孔關(guān)閉顯著降低了光合作用，從而降低生物量和產(chǎn)量。細(xì)胞周期抑制、細(xì)胞凋亡也會抑制植物生長。當(dāng)葉片中的鹽分過量積累時產(chǎn)生離子脅迫，導(dǎo)致葉片衰老和過早脫落。由于能量傳遞和電子傳遞的限制，滲透脅迫、離子脅迫都會導(dǎo)致活性氧（ROS）的積累，從而造成DNA損傷，威脅植物基因組的穩(wěn)定性。

物競天擇，適者生存。植物在漫漫時間長河中進(jìn)化出復(fù)雜的防御系統(tǒng)，以適應(yīng)多種逆境脅迫，維持自身基因組的穩(wěn)定。

3 基因組穩(wěn)定性與DNA損傷修復(fù)機(jī)制

DNA骨架斷裂有單鏈斷裂、雙鏈斷裂2種形式，根據(jù)細(xì)胞周期、遺傳背景、DNA損傷類型，DNA修復(fù)途徑主要有5種：核苷酸切除修復(fù)（NER）、堿基切除修復(fù)（BER）、錯配修復(fù)（MMR），主要負(fù)責(zé)單鏈損傷（SSBs）；非同源末端連接（NHEJ）、同源重組（HR），主要負(fù)責(zé)雙鏈損傷（DSBs）。各種修復(fù)途徑相互協(xié)調(diào)，共同維持基因組穩(wěn)定［22］。

3.1 DNA單鏈斷裂修復(fù) （SSBR） 機(jī)制

細(xì)胞每天會遭遇到上萬種不同的DNA損傷，其中單鏈斷裂（SSBs）相對于雙鏈斷裂（DSBs）更加頻繁，SSBR可以去除不同的DNA單鏈損傷［23］。主要有以下幾種機(jī)制。

3.1.1 NER途徑

核苷酸切除修復(fù)（NER）是一種多蛋白修復(fù)系統(tǒng)（圖2），可切除大片段的DNA損傷，在紫外線誘導(dǎo)的損傷修復(fù)中至關(guān)重要［24］。NER在真核細(xì)胞中被研究得最充分，人類NER基因的缺陷導(dǎo)致光敏綜合征，如著色性干皮?。╔P）。

NER系統(tǒng)首先識別DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的扭曲，在全基因組NER修復(fù)（GG-NER）中，XPC是第1個到達(dá)病變的蛋白質(zhì)因子，經(jīng)過泛素化修飾，形成XPC-HR23B-CEN2復(fù)合物，增加其對DNA的親和力。在轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)的核苷酸損傷修復(fù)（TC-NER）中，識別由CSB、CSA、XAB2促進(jìn)，隨后DNA雙鏈局部展開，多亞基轉(zhuǎn)錄因子TFIIH通過XPC（在GG-NER中）或CSB、CSA（在TC-NER中）募集到損傷部位，TFIIH的XPB、XBD亞基分在DNA損傷附近處解旋，由此產(chǎn)生單鏈DNA（ssDNA），XPA和ssDNA結(jié)合蛋白RPA組成XPA復(fù)合物。RPA和XPA穩(wěn)定開放結(jié)構(gòu)，XPA招募異二聚體XPF-ERCC1核酸內(nèi)切酶和XPG的核酸內(nèi)切酶一起切除跨越病變的短寡核苷酸，至此，損傷片段從基因組中切除，留下單鏈間隙，最后以未受損的鏈為模板，由DNA聚合酶復(fù)合物（Polδ/κ/ε）進(jìn)行修復(fù)受損單鏈［25-26］。通過這種方式，許多不同的病變可以由一組共同的酶來處理，因此，它具有高度通用性。

植物中包含所有NER蛋白的同系物，但損傷識別蛋白XPA除外?？赡苡邢嗨菩再|(zhì)的蛋白質(zhì)替代XPA，以幫助在切除修復(fù)過程中招募和靶向關(guān)鍵的切除修復(fù)因子TFIIH和XPF［27］。

3.1.2 BER途徑

堿基切除修復(fù)（BER）可處理由內(nèi)源性或外源性因素誘導(dǎo)的各種DNA損傷。BER是一個復(fù)雜的過程（圖2），目前在微生物和動物中得到廣泛研究，但在植物中的研究一直滯后。下文涉及的修復(fù)因子主要是細(xì)菌和哺乳動物系統(tǒng)的研究結(jié)果。

BER由特異性DNA糖基化酶啟動，受損的DNA堿基由一種或幾種具有特異性的DNA糖基化酶識別并將其切除，產(chǎn)生1個無堿基位點(diǎn)（AP site），在短片段堿基切除修復(fù)（SP-BER）中，AP核酸內(nèi)切酶將受損堿基5′端的磷酸二酯鍵切開，產(chǎn)生3′端羥基殘基（3′-OH）和5′端脫氧核糖磷酸（5′-dRP），并以此為底物，通過DNA聚合酶β（Polβ）聚合1個新的脫氧核苷酸到DNA鏈上，5′-dRP隨后被切除，切除后產(chǎn)生的位點(diǎn)通過Lig1（DNA ligase 1）或Lig3（DNA ligase 3）和XRCC1 （X-ray repair cross-complementing protein 1）的復(fù)合物進(jìn)行修復(fù)［28-29］。

在長片段堿基切除修復(fù)（LP-BER）中，由多功能糖基化酶切除堿基產(chǎn)生斷裂單鏈，由于新加入的核苷酸數(shù)目較多，會在其下游頂起一個Flap結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由核酸酶FEN1（flap endonuclease）特異切除，最后由Lig1完成修復(fù)。植物中除不存在Polβ外，具有大多數(shù)BER蛋白的同源物，也擁有一些植物特異性BER蛋白［30-31］。

由于BER期間的核苷酸切除，導(dǎo)致DNA單鏈斷裂（SSB）的瞬時形成，因此BER酶也是SSB修復(fù)的主要參與者。

3.1.3 MMR途徑

DNA復(fù)制具有高度忠實性，聚合酶的選擇是復(fù)制過程中保真度的主要決定因素；隨后對DNA鏈進(jìn)行校對，如果鏈延伸過程中產(chǎn)生錯配，則啟動錯配修復(fù)（MMR）機(jī)制，錯配修復(fù)（MMR）途徑糾正聚合酶校對后遺留的罕見錯誤，將復(fù)制保真度提高了100倍以上；核苷酸的選擇性、校對和MMR協(xié)同作用，保障基因組的穩(wěn)定性［31］。

MMR途徑能夠在DNA復(fù)制、遺傳重組、DNA損傷修復(fù)期間識別和修復(fù)堿基的錯誤插入和缺失［32］。植物MMR系統(tǒng)由MutL、MutS等錯配修復(fù)同系物組成，原核生物中沒有發(fā)現(xiàn)MutH，作為MMR系統(tǒng)中最重要的單體，MSH2、MLH1與其他MMR蛋白形成異二聚體，例如MutSα（MSH2-MSH6）、MutSβ（MSH2-MSH3）、MutSγ（MSH2-MSH7）、MutLα（MLH1-PMS1）、MutLγ（MLH1-MLH3），MutSα主要參與短插入/缺失環(huán)（IDL）和堿基錯配的校正，而MutSβ優(yōu)先去除大IDLs（2～12個核苷酸），植物特異性MutSγ主要識別單堿基錯配［33-34］。

3.2 DNA雙鏈斷裂修復(fù) （DSBR） 機(jī)制

DNA雙鏈斷裂（DNA double-strand breaks，DSBs）是真核細(xì)胞中最為嚴(yán)重的DNA損傷類型之一，單個裸露的DSB即可誘發(fā)細(xì)胞凋亡。細(xì)胞主要使用2種途徑來修復(fù)DSB：非同源末端連接（NHEJ）和同源重組修復(fù)（HR）。目前認(rèn)為細(xì)胞周期是選擇DNA修復(fù)途徑的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因素，NHEJ在G1期最為重要。HR在細(xì)胞周期的S 期和G2期起作用［35-36］。兩者共同發(fā)揮作用，以維持基因組的穩(wěn)定性。

3.2.1 NHEJ途徑

NHEJ的修復(fù)是快速但并非精確的，修復(fù)過程中可能會隨機(jī)引入和去除幾個堿基（圖3），該途徑涉及以下步驟：首先Ku蛋白（Ku70/Ku80）復(fù)合物識別損傷并結(jié)合到DSBs末端，Ku-DNA復(fù)合物與DNA依賴性蛋白激酶（DNA-PK）催化亞基（DNA-PKcs）相互作用，形成具有穩(wěn)定性和功能性的DNA-PKcs復(fù)合物，DNA-PK活化蛋白在體內(nèi)經(jīng)歷廣泛的自磷酸化，啟動NHEJ通路，隨后對DNA末端進(jìn)行處理，Ku蛋白的5′-dRP/AP裂解酶活化切除5′-dRP/AP位點(diǎn)，酪氨酸-DNA磷酸二酯酶（TDP2）解旋5′磷酸酪氨酸與DNA間的磷酸二酯鍵，多核苷酸激酶/磷酸酶（PNKP）的3′-DNA磷酸酶和5′-DNA激酶活性可連接5′-磷酸和3′-羥基末端等，最后由XRCC4-LIG4-XLF復(fù)合物促使DNA末端進(jìn)行連接［37］。

3.2.2 HR途徑

從NHEJ到HR的轉(zhuǎn)變是漸進(jìn)的。HR是一種高保真修復(fù)途徑，由多種成分介導(dǎo)，被認(rèn)為比末端連接更能保護(hù)基因組完整性［38］。

在HR途徑中，首先以未受損的姐妹染色單體的同源序列作為修復(fù)模板（圖3），隨后MRN復(fù)合物識別受損位點(diǎn)，結(jié)合到DNA末端，通過核酸酶處理DSB位點(diǎn)產(chǎn)生3′-ssDNA尾部，3′-ssDNA尾部由RPA結(jié)合蛋白包裹，使其免受核酸酶的降解并去除二級結(jié)構(gòu)，BRCA2蛋白介導(dǎo)RPA被RAD51取代，RAD51在DNA上形成核蛋白絲，RAD51核蛋白開始尋找同源DNA序列，侵入完整的雙鏈DNA分子，形成置換環(huán)（D-loop）；最后D-loop延伸或與另一個末端連接，完成修復(fù)過程［37］。

4 DNA損傷修復(fù)對水稻生長發(fā)育的影響

4.1 影響初生根

RecQ解旋酶是ATP依賴性解旋酶家族的成員，積極參與基因組監(jiān)測，在DNA復(fù)制、重組、修復(fù)等多種DNA代謝過程中具有不同的作用，在維持基因組的穩(wěn)定性方面起重要作用。水稻OsRecQl4的表達(dá)僅限于分生組織（RAM），osrecql4突變體對DNA損傷劑（博來霉素）表現(xiàn)出超敏反應(yīng)，表明

OsRecQ14可能參與DNA單鏈斷裂（SSB）和DSB的修復(fù)；osrecql4突變體對DNA聚合酶的抑制劑也表現(xiàn)出敏感性，表明OsRecQl4在S期停滯恢復(fù)過程中具有一定的作用。在osrecql4突變體中HR修復(fù)功能增強(qiáng)，可修復(fù)部分DSB，未修復(fù)的DSB誘導(dǎo)根分生組織的細(xì)胞死亡［39］。因此，OsRecQl4通過參與RAM中DNA復(fù)制及DNA 損傷修復(fù)過程，影響根系的生長，維持基因組穩(wěn)定。

4.2 影響葉片生長

在DNA復(fù)制期間和復(fù)制后，生物體存在高度保守的調(diào)節(jié)作用和保護(hù)遺傳物質(zhì)的機(jī)制［40］。DNA復(fù)制通過核糖核苷酸還原酶（RNR）嚴(yán)格控制dNTP的合成，將單個dNTP的濃度維持在不同水平。不平衡的dNTP會影響復(fù)制的保真度，此外dNTP濃度在G1、S期增加，與DNA復(fù)制開始時期相吻合。水稻ALR基因編碼一種在所有組織中表達(dá)的典型DCD蛋白，ALR基因功能的喪失，使DCD蛋白缺乏結(jié)合能力，降低dNTP水平并擾亂dNTP的平衡。osalr突變體表現(xiàn)為植株矮小、葉片細(xì)胞數(shù)量減少和細(xì)胞長度增加，隨著葉片的生長，近乎白化的葉片出現(xiàn)白綠色條紋和壞死斑點(diǎn)。osalr突變體對DNA損傷劑敏感，DNA損傷劑誘導(dǎo)DNA修復(fù)和DNA復(fù)制檢查點(diǎn)的激活，但隨著未修復(fù)DNA的積累，產(chǎn)生更嚴(yán)重的DNA損傷，細(xì)胞死亡增加。osalr 突變體中缺乏DCD蛋白，導(dǎo)致細(xì)胞周期進(jìn)程出現(xiàn)缺陷，具體表現(xiàn)為從G1/S期到G2/M期的過渡受阻，不僅影響核基因組復(fù)制，使細(xì)胞分裂減少，質(zhì)體基因組復(fù)制和葉綠體分裂也受到影響［41］。因此，ALR基因通過影響DNA復(fù)制和增加DSB積累來影響葉片生長。

4.3 影響花發(fā)育

減數(shù)分裂過程中，同源重組在增加遺傳多樣性和維持基因組穩(wěn)定性方面起著重要作用，復(fù)制蛋白A（RPA）是由RPA1、RPA2、RPA3組成的異源三聚體，已被證明對DNA復(fù)制、DNA 損傷信號傳導(dǎo)、DNA 修復(fù)和同源重組至關(guān)重要。RPA通過多個寡核苷酸/寡糖結(jié)合折疊，包被和保護(hù)暴露的ssDNA免受核酸酶的侵害。作為一種典型的支架蛋白，RPA可與多種蛋白質(zhì)相互作用，包括DNA核酸酶、DNA解旋酶和DNA聚合酶等。水稻RPA1a基因突變后，觀察到減數(shù)分裂期出現(xiàn)缺陷，Ⅱ型CO（cross over）大大增加，出現(xiàn)染色體碎片和染色體橋，四分體中形成微核，最終導(dǎo)致植株雄配子體部分可育，而雌配子體完全不育。進(jìn)一步試驗表明，水稻RPA1a在減數(shù)分裂過程中限制交叉形成，并通過與FANCM復(fù)合物或BTR復(fù)合物相互作用，來調(diào)節(jié)重組中間體的準(zhǔn)確加工［42］。此外，osrpa1a突變體對紫外線輻射以及DNA損傷劑絲裂霉素和甲磺酸甲酯敏感［43］。因此，OsRPA1a基因通過調(diào)節(jié)減數(shù)分裂過程中的同源重組修復(fù)以促進(jìn)DSB修復(fù)，來維持基因組穩(wěn)定性。

4.4 影響種子發(fā)育

在植物中，DNA損傷反應(yīng)（DDR）和修復(fù)系統(tǒng)是抵御環(huán)境脅迫（紫外線B輻射、干旱、鹽、熱和其他因素，如金屬）最重要的防御系統(tǒng)之一。在應(yīng)對環(huán)境壓力過程中產(chǎn)生的活性氧，可以改變堿基并損害糖殘基，導(dǎo)致雙鏈斷裂和DNA片段化。在種子壽命相關(guān)研究中發(fā)現(xiàn)，DNA修復(fù)機(jī)制和DNA損傷反應(yīng)（DDR）是控制種子發(fā)芽和決定種子發(fā)芽潛力的關(guān)鍵因素［44］。擬南芥通過轉(zhuǎn)錄因子SOG1整合了ATM、ATR信號傳導(dǎo)，延遲程序性細(xì)胞死亡，最大限度減少了DNA損傷的影響。OsSOG1、OsSGL是擬南芥DDR蛋白AtSOG1的水稻同源基因，且OsSGL為OsSOG1的下游靶標(biāo)。水稻中OsSOG1的缺乏，導(dǎo)致其對DNA損傷的敏感性顯著增加，并抑制響應(yīng)DNA損傷的基因表達(dá)（如Rad51A2、PARP2A、MSH4、MSH5等），延遲DDR反應(yīng)，積累DNA損傷。sog1-sgl雙突變植株傾向于嚴(yán)重的DNA損傷表型［45］。進(jìn)一步試驗表明，OsSOG1在氧化應(yīng)激反應(yīng)中也起著重要作用［46］。因此OsSOG1通過調(diào)節(jié)DNA損傷反應(yīng)進(jìn)程和損傷修復(fù)，來影響水稻生長發(fā)育。

5 水稻基因組穩(wěn)定性研究的未來方向

基因組的穩(wěn)定性是長期進(jìn)化形成的。前期研究主要集中在對新基因及其功能的挖掘，目前已經(jīng)克隆出很多參與維持基因組穩(wěn)定的關(guān)鍵性基因（表1）。但是，對于這些基因之間的相互關(guān)系以及其信號傳遞卻鮮有報道。隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的不斷發(fā)展和優(yōu)化，對水稻生長發(fā)育過程中DNA損傷及修復(fù)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)識將會更加全面，同時也有助于水稻育種探索。

水稻基因組穩(wěn)定與綠色超級稻（GSR）的培育。預(yù)計2050年全球人口將達(dá)到90億，人口和環(huán)境的壓力倍增；在此基礎(chǔ)上，我國科學(xué)家提出了新目標(biāo)，即開發(fā)綠色超級稻品種，在持續(xù)增產(chǎn)和品質(zhì)提升的前提下，綠色超級稻應(yīng)具備抗多種病蟲害、養(yǎng)分表

達(dá)僅限于分生組織（RAM），osrecql4突變體對DNA損傷劑（博來霉素）表現(xiàn)出超敏反應(yīng)，表明率高、抗旱等特點(diǎn)，有望大幅減少農(nóng)藥、化肥、水的消耗，對糧食安全的保障和可持續(xù)農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有重要意義［47］。GSR可以通過2個階段來實現(xiàn)，第1階段的任務(wù)是研究水稻重要農(nóng)藝性狀的基因功能及其分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，目前已經(jīng)部分實現(xiàn)；第2階段的任務(wù)是在整個基因組穩(wěn)定遺傳的基礎(chǔ)上將所需基因進(jìn)行積累，使水稻品種得到逐步改良，這是具有很大挑戰(zhàn)性的。GSR育種計劃已經(jīng)出現(xiàn)使用上述育種策略改良優(yōu)良品種的成功案例，即表現(xiàn)出對1種或多種非生物/生物脅迫的耐受性。水稻基因組穩(wěn)定性是體現(xiàn)各種綠色性狀（基因）育種價值的基礎(chǔ)。

水稻是最古老的馴化谷物之一，水稻的馴化過程體現(xiàn)在對農(nóng)學(xué)重要性狀進(jìn)行人工選擇的過程，如種子落粒性、打破種子休眠、株型、每穗粒數(shù)、耐脅迫性和籽粒顏色等，以及對維持基因組穩(wěn)定關(guān)鍵基因的選擇［48］，例如水稻馴化和現(xiàn)代育種過程中HUO基因的去除。HUO是一個活躍的長末端重復(fù)（LTR）逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子，存在于所有野生物種和42%的地方品種中，在水稻馴化和現(xiàn)代育種過程中，HUO可能已從水稻品種中去除。HUO可以觸發(fā)強(qiáng)烈的宿主基因組防御或監(jiān)視系統(tǒng)，有效抑制HUO的轉(zhuǎn)錄，而且還在整個基因組中誘導(dǎo)表觀遺傳的不穩(wěn)定性。進(jìn)一步分析表明，HUO通過RNA定向的DNA甲基化途徑受到嚴(yán)格的沉默，多個HUO拷貝可以通過改變?nèi)蚪MDNA甲基化和小RNA生物發(fā)生以及改變基因表達(dá)來觸發(fā)基因組的不穩(wěn)定，導(dǎo)致抗病性和產(chǎn)量下降［49］。因此，水稻馴化和現(xiàn)代育種是維持水稻基因組穩(wěn)定研究的又一重要方向。

綜上所述，在生長發(fā)育過程中有多種因素會造成水稻基因組不穩(wěn)定，同時觸發(fā)保護(hù)機(jī)制來抵抗這種不穩(wěn)定。對水稻基因組穩(wěn)定性的研究，聚焦在減少損傷和增強(qiáng)修復(fù)的基因挖掘方面，優(yōu)化和加強(qiáng)這些基因的應(yīng)用研究，是科學(xué)育種的又一方向，也是人工促進(jìn)水稻的定向進(jìn)化。

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