華中農(nóng)業(yè)大學(xué)油菜遺傳改良創(chuàng)新團(tuán)隊揭示染色體重組調(diào)控新機制

 

　　減數(shù)分裂是真核生物有性生殖過程中的核心事件， 既保證了物種世代間染色體數(shù)目的恒定， 又帶來了遺傳多樣性。在減數(shù)分裂中，染色體交叉重組（crossover，CO）確保了同源染色體精確分離，同時又產(chǎn)生了新的遺傳變異，為作物育種提供了遺傳基礎(chǔ)。一方面提高重組可以加快優(yōu)良基因/位點聚合速度，克服連鎖累贅；反之，降低重組可用于保持雜合基因型。交叉重組在染色體上的數(shù)量和分布受到交叉促進(jìn)和干涉機制的共同控制。染色體軸是調(diào)節(jié)交叉形成的重要結(jié)構(gòu)，然而其具體功能和作用機制仍不清楚。

 

　　該研究利用異源四倍體甘藍(lán)型油菜中基因拷貝數(shù)多的優(yōu)勢，通過CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)創(chuàng)建了一系列Bnaasy3突變體（包括突變一對BnaASY3等位基因的突變體Bnaasy3aaCC和Bnaasy3AAcc、僅存在一個BnaASY3功能基因的突變體Bnaasy3aaCc和Bnaasy3Aacc、BnaASY3完全缺失突變體Bnaasy3aacc），并考察了BnaASY3在染色體上的蛋白劑量。研究發(fā)現(xiàn)，在突變體Bnaasy3aaCC和Bnaasy3AAcc中，BnaASY3在染色體上的蛋白劑量與野生型無顯著差異；而在突變體Bnaasy3aaCc和Bnaasy3Aacc中，BnaASY3蛋白劑量較野生型降低了約60%-70%；突變體Bnaasy3aacc中檢測不到BnaASY3的信號。

 

　　通過考察結(jié)實率和花粉染色等，作者分析了不同BnaASY3蛋白劑量對油菜育性的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)ASY3完全缺失時，植株結(jié)實率嚴(yán)重下降，花粉嚴(yán)重敗育；當(dāng)一個功能性BnaASY3基因的存在時植株結(jié)實率和花粉育性可以得到較大程度恢復(fù)。進(jìn)一步四分體分析表明不同劑量的ASY3蛋白對減數(shù)分裂造成了不同程度的影響。

 

　　進(jìn)一步，利用染色體展片和免疫熒光等細(xì)胞學(xué)手段，該研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)四個BnaASY3等位基因同時突變時，同源染色體聯(lián)會受到嚴(yán)重破壞，交叉數(shù)量急劇減少，引起大量單價體形成，證明BnaASY3在促進(jìn)重組中具有重要作用。與BnaASY3完全缺失突變體相比，一個功能性BnaASY3基因的存在可以在很大程度上挽救同源染色體聯(lián)會和二價體的形成；而一對BnaASY3等位基因可以完全回補這些缺陷，證明BnaASY3在調(diào)控重組中具有劑量效應(yīng)。

 

　　進(jìn)一步分析染色體重組情況，ASY3完全缺失造成交叉數(shù)量嚴(yán)重下降，說明ASY3對重組具有重要作用。有趣的是，當(dāng)只有一個BnaASY3基因存在時，與野生型相比，染色體重組數(shù)量顯著提高，暗示ASY3劑量降低可以提高染色體重組頻率。

 

　　為理解ASY3劑量變化影響染色體重組的機制，作者分析了I類（干涉敏感性）交叉（BnaHEI10作為指示Maker）在每對染色體上的分布距離和數(shù)量，發(fā)現(xiàn)I類交叉在很大程度上表現(xiàn)為隨機分布，暗示BnaASY3劑量的減少降低了交叉干涉力量，從而引起染色體重組數(shù)目的提升。

 

　　綜上，該研究揭示了ASY3蛋白對染色體重組具有劑量依賴性的多重效應(yīng)，為染色體軸蛋白在植物染色體重組調(diào)控中的功能和作用機制提供了新見解，為將交叉重組操縱應(yīng)用于作物育種提供了靶基因。

 

　　華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院博士研究生初壘為論文的第一作者，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良全國重點實驗室和國家油菜工程技術(shù)研究中心楊超教授和易斌教授為論文共同通訊作者。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)油菜遺傳改良創(chuàng)新團(tuán)隊張椿雨教授和德國漢堡大學(xué)Arp Schnittger教授對該工作給予了重要指導(dǎo)。

 

　　【英文摘要】

 

　　Crossovers create genetic diversity and are required for equal chromosome segregation during meiosis. Crossover number and distribution are highly regulated by different mechanisms that are not yet fully understood, including crossover interference. The chromosome axis is crucial for crossover formation. Here, we explore the function of the axis protein ASYNAPSIS3. To this end, we use the allotetraploid species Brassica napus; due to its polyploid nature, this system allows a fine-grained dissection of the dosage of meiotic regulators. The simultaneous mutation of all four ASY3 alleles results in defective synapsis and drastic reduction of crossovers, which is largely rescued by the presence of only one functional ASY3 allele. Crucially, while the number of class I crossovers in mutants with two functional ASY3 alleles is comparable to that in wild type, this number is significantly increased in mutants with only one functional ASY3 allele, indicating that reducing ASY3 dosage increases crossover formation. Moreover, the class I crossovers on each bivalent in mutants with one functional ASY3 allele follow a random distribution, indicating compromised crossover interference. These results reveal the distinct dosage-dependent effects of ASY3 on crossover formation, and provide insights into the role of the chromosome axis in patterning recombination.