華中農(nóng)業(yè)大學(xué)油菜團(tuán)隊(duì)揭示聯(lián)會(huì)復(fù)合體在多倍體植物減數(shù)分裂穩(wěn)定中的重要功能

 

　　自常規(guī)雜交育種開(kāi)始，隨著育種家對(duì)基因資源的不斷篩選，包括多倍體在內(nèi)的許多作物都面臨遺傳資源缺乏的困境。遠(yuǎn)緣雜交是引入外源基因資源，拓寬遺傳資源的重要技術(shù)手段，在作物育種尤其是多倍體育種中發(fā)揮著重要作用。然而，遠(yuǎn)緣雜交育種中面臨包括雜交不親和、雜種育性低等在內(nèi)的許多困難，其中提高遠(yuǎn)緣物種遺傳物質(zhì)的導(dǎo)入效率是提升遠(yuǎn)緣雜交育種潛力的重要方面。減數(shù)分裂中非同源染色體之間的配對(duì)和重組抑制是阻礙外源染色體片段成功導(dǎo)入的關(guān)鍵因素。

 

　　聯(lián)會(huì)復(fù)合體是有性生殖生物中高度保守的蛋白結(jié)構(gòu)，是穩(wěn)固同源染色體相互作用的重要結(jié)構(gòu)。然而，其缺失對(duì)二倍體植物（如擬南芥和水稻）的減數(shù)分裂過(guò)程影響并不大。這很可能是由于二倍體中每條染色體僅有一條可能與其配對(duì)和重組的對(duì)象。但是，在多倍體中，每條染色體有多條潛在的配對(duì)對(duì)象，包含其多條同源染色體或部分同源染色體。因此，在多倍體中，一旦一條染色體找到其正確的配對(duì)對(duì)象，聯(lián)會(huì)復(fù)合體的及時(shí)組裝可能會(huì)穩(wěn)定兩者間的互作，以此來(lái)避免多條（同源或部分同源）染色體配對(duì)重組。然而，該假設(shè)尚需實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

 

　　甘藍(lán)型油菜作為天然的異源四倍體，是研究多倍體減數(shù)分裂適應(yīng)的理想材料。橫絲蛋白ZYP1是聯(lián)會(huì)復(fù)合體的中央?yún)^(qū)域組分，其缺失會(huì)導(dǎo)致聯(lián)會(huì)復(fù)合體不能組裝。本研究首先通過(guò)CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)創(chuàng)建了甘藍(lán)型油菜的不同zyp1突變體株系。通過(guò)考察結(jié)實(shí)率和花粉活力等，發(fā)現(xiàn)油菜zyp1突變體的育性嚴(yán)重降低。進(jìn)一步考察四分體時(shí)期的減數(shù)分裂產(chǎn)物，在zyp1突變體中沒(méi)有觀察到平衡的四分體，表明ZYP1缺失對(duì)減數(shù)分裂造成嚴(yán)重破壞。隨后，作者利用染色體展片和免疫熒光等手段分析了雄性減數(shù)分裂中的染色體行為。與野生型相比，從細(xì)線(xiàn)期到偶線(xiàn)期 zyp1突變體未看出明顯異常。當(dāng)細(xì)胞進(jìn)入粗線(xiàn)期，野生型中染色體完全配對(duì)聯(lián)會(huì)，zyp1突變體中染色體配對(duì)可以正常發(fā)生，基本上實(shí)現(xiàn)了染色體并置，這說(shuō)明 ZYP1介導(dǎo)的聯(lián)會(huì)復(fù)合體缺失不會(huì)影響染色體配對(duì)能力本身。然而，在ZYP1缺失的性母細(xì)胞中，頻繁發(fā)現(xiàn)多條染色體配對(duì)并行的現(xiàn)象，并伴有配對(duì)對(duì)象的轉(zhuǎn)換。進(jìn)一步分析染色體重組情況，發(fā)現(xiàn)交叉重組不僅發(fā)生在同源染色體之間，也發(fā)生在部分同源染色體之間，從而引起亞基因組間染色體重排和多價(jià)體形成。這些結(jié)果說(shuō)明ZYP1介導(dǎo)的聯(lián)會(huì)復(fù)合體組裝可以抑制多條部分同源染色體配對(duì)和重組，從而確保異源四倍體甘藍(lán)型油菜減數(shù)分裂的穩(wěn)定性。

 

　　研究人員隨后又研究了同源四倍體擬南芥中聯(lián)會(huì)復(fù)合體在抑制多條染色體互作中的功能，發(fā)現(xiàn) ZYP1的缺失同樣導(dǎo)致多條染色體配對(duì)和重組的頻率大幅增加，導(dǎo)致中期I多價(jià)體比例提高，表明聯(lián)會(huì)復(fù)合體的組裝在同源多倍體中同樣發(fā)揮抑制多條染色體配對(duì)和重組的功能。

 

　　多倍化在基因組進(jìn)化和作物改良中起著關(guān)鍵作用。與二倍體祖先相比，多倍體通常表現(xiàn)出更高的生活力及其對(duì)各種逆境脅迫更好的抗性。雖然人工誘導(dǎo)多倍化在作物改良中發(fā)揮重要作用，但成功實(shí)現(xiàn)人工合成的多倍體植物類(lèi)型還很少。限制人工多倍化應(yīng)用的關(guān)鍵在很大程度上是由于減數(shù)分裂不穩(wěn)定造成的育性缺陷和基因組的不穩(wěn)定性。

 

　　因此，本研究揭示了ZYP1介導(dǎo)的聯(lián)會(huì)復(fù)合體在抑制多條同源或部分同源染色體配對(duì)和重組中的關(guān)鍵功能，不僅豐富人們對(duì)植物多倍體化過(guò)程中減數(shù)分裂演化適應(yīng)機(jī)制的理解，同時(shí)為指導(dǎo)油菜、小麥等多倍體育種和提高遠(yuǎn)緣雜交中外源基因的導(dǎo)入效率提供了調(diào)控靶點(diǎn)。

 

　　華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院博士研究生張雅詩(shī)為論文第一作者，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和國(guó)家油菜工程技術(shù)研究中心楊超教授為論文通訊作者。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)家油菜工程技術(shù)研究中心葛賢宏教授和德國(guó)漢堡大學(xué)Arp Schnittger教授對(duì)該工作給予了重要指導(dǎo)。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助。