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【编辑推荐】为探明内共生基因转移（EGT）频率的分子机制，研究人员以烟草为模型，探讨 DNA 双链断裂修复（DSBR）通路对 EGT 的调控。发现 DSBR 缺陷使体细胞和雄配子体 EGT 频率显著升高，揭示 DSB 水平是 EGT 关键决定因素，为理解植物基因组进化提供新视角。
在生命的演化长河中，真核生物的细胞核基因组如同一位 “贪婪的收藏家”，不断吸纳来自线粒体和质体（如叶绿体）的基因，这一过程被称为内共生基因转移（endosymbiotic gene transfer, EGT）。这些 “外来基因” 不仅是进化的印记，更塑造了植物基因组的结构与功能。然而，EGT 的发生频率究竟受何种分子机制调控？为何有些植物基因组中来自细胞器的 DNA 序列（核细胞器序列，NORGs）比例差异悬殊？这些问题如同迷雾，笼罩着植物进化研究的关键路径。
为解开这些谜团，德国马克斯 - 普朗克分子植物生理学研究所（Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie）的研究团队聚焦于 DNA 双链断裂（double-strand break, DSB）修复机制与 EGT 的关联，展开了一系列深入研究。相关成果发表于《Nature Plants》，为理解 EGT 的调控机制及植物基因组进化提供了突破性见解。
关键技术方法
研究以烟草（Nicotiana tabacum）为模型，运用 CRISPR-Cas9 基因组编辑技术，构建了 DNA 连接酶 IV（LIG4，非同源末端连接（non-homologous end joining, NHEJ）通路关键组分）和 DNA 聚合酶 θ（Polθ，微同源介导末端连接（microhomology-mediated end joining, MMEJ）通路关键组分）的功能缺失突变体。通过大规模遗传筛选，结合组织培养、抗生素抗性筛选及分子生物学检测，量化 EGT 频率，并分析 DSBR 缺陷对质体 DNA 向核基因组转移的影响。
研究结果
1. DSBR 突变体的构建与验证
研究成功获得 lig4 和 polq 双敲除突变体。通过博来霉素（bleomycin）敏感性实验证实，突变体 DSBR 功能显著受损，其中 lig4 突变体对博来霉素更为敏感，表明 NHEJ 在 DSBR 中可能比 MMEJ 更活跃。此外，NHEJ 和 MMEJ 双缺陷的 quadruple 突变体表现出幼苗致死表型，说明这两条通路在维持基因组稳定性中不可或缺。
2. DSBR 缺陷显著增强体细胞 EGT
在体细胞 EGT 筛选实验中，DSBR 突变体的基因转移频率（frequency of gene transfer, FGT）显著高于野生型。通过连续观察发现，EGT 频率随时间呈线性增长，DSBR 突变体的基因转移速率（gene transfer rate, GTR）更高。进一步分析表明，DSBR 缺陷延长了 DSB 的存在时间，增加了质体 DNA 整合的机会，而 NHEJ 缺陷对 EGT 的促进作用强于 MMEJ 缺陷。
3. DSBR 通路影响 NORGs 稳定性
对体细胞 EGT 事件后代的分析显示，lig4 突变体来源的 EGT 株系中，卡那霉素抗性性状的遗传稳定性更高，提示 NHEJ 缺陷可能通过某种机制增强转移基因的稳定性或表达效率。
4. 雄配子体中 DSBR 缺陷导致高频 EGT
在雄配子体 EGT 研究中，DSBR 突变体作为花粉供体时，子代中 EGT 事件频率显著升高，尤其是 polq 突变体（含解旋酶结构域缺陷）的 EGT 频率较野生型提升 20 倍。这表明 Polθ 的解旋酶结构域可能通过抑制复制相关 DSB 的形成，独立于 MMEJ 机制调控 EGT。
研究结论与意义
本研究揭示了 DNA 双链断裂修复通路（NHEJ 和 MMEJ）通过调控 DSB 的可及性，抑制质体到核的基因转移。DSB 的数量和持续时间是 EGT 频率的关键决定因素，而质体 DNA 的整合效率是 EGT 的瓶颈步骤。此外，EGT 在雄配子体中的高频发生提示其可能对植物基因组进化产生显著影响，尤其是 DSBR 能力的改变可能在进化时间尺度上重塑基因组结构。
研究还发现，EGT 具有强大的致突变潜力，大量质体 DNA 插入可能干扰核基因功能并引发基因组重排，这解释了为何 DSBR 通路在抑制 EGT 中具有重要进化意义。该成果不仅深化了对 EGT 分子机制的理解，也为研究植物基因组动态进化提供了新范式，同时为基因编辑技术在植物中的应用及细胞器基因转移的调控提供了理论依据。
