王應祥課題組在減數分裂交換分布模式的調控機製研究取得重要進展
2021年11月18日，國際學術期刊PNAS在線發表了万博体育分 王應祥研究組題為“Regulation of interference-sensitive crossover distribution ensures crossover assurance in Arabidopsis”的研究論文（https://www.pnas.org/content/118/47/e2107543118）。該研究發現減數分裂交換在染色體間的分布模式的分子遺傳機製，同時揭示了減數分裂交換保障現象的調控機製。
真核生物通過減數分裂產生染色體數目減半的配子（精子或卵子），精卵受精結合後，染色體數目又恢複到親本數目，維持了基因組的穩定性。不同於有絲分裂，減數分裂涉及到同源染色體間的配對、聯會和重組。重組使得同源染色體間發生交換，其正確與否直接影響染色體的分離，最終導致人類流產和染色體綜合征疾病，如唐氏綜合征等，以及作物的不育和產量降低。除了確保同源染色體的正確分離，交換還促使同源染色體間遺傳物質發生重新組合，增加了後代的遺傳多樣性，為自然選擇過程提供了豐富的變異基礎，促進了物種的進化。此外，同源染色體交換也是遺傳育種的基礎，育種家們利用同源染色體交換來組合優良變異培育優良品種。已有研究表明，減數分裂同源染色體間交換的數目和分布模式受到嚴格的調控。例如模式植物擬南芥每次減數分裂形成約10個交換，假如這10個交換在擬南芥5對同源染色體間隨機分布，將會造成約10%的染色體缺乏交換，進而導致異常分離。實際上，擬南芥減數分裂同源染色體間至少能形成一個交換，否定了交換在染色體間的隨機分布，這種現象被稱為交換保障。交換保障現象在不同物種間高度保守，最早是科學家Darlington和Dark由1932年研究蝗蟲的減數分裂染色體行為時發現的。1949年科學家Owen在研究蚊子的減數分裂過程中，正式提出了交換保障概念。雖然交換保障現象被發現至今已經將近百年，人們對於其潛在的分子調控機製仍然知之甚少。
在探索維持交換保障的分子機製的過程中，研究者首先發現擬南芥減數分裂過程，每對同源染色體至少形成一個I型交換，I型交換在染色體間並不是隨機分布。而II型交換在染色體間的分布則是隨機的。說明正常情形下，隻需要I型交換就能維持交換保障，交換保障的缺失必然伴隨著I型交換數目或者分布模式的改變。基於這種思考，同時也為了簡化研究思路，研究者首先在已經發表的減數分裂相關突變體中檢索I型交換數目不變，同時伴隨有染色體單體產生的突變體。研究者首先錨定到了促進II型交換形成的FANCD2蛋白，fancd2突變體的減數分裂中，I型交換數目不變，但13％染色體上缺乏交換。對I型交換在染色體間的分布模式研究發現，fancd2突變體中5%同源染色體上缺乏I型交換，I型交換在染色體間的分布模式處於野生型和泊鬆分布的平均狀態，也就是一種“半隨機”狀態，說明FANCD２具有促進I型交換在染色體間的正確分布維持交換保障的功能。
接著研究發者抑製II型交換數目的FANCM，FIGL1以及RMI1也具有類似於FANCD2的調控I型交換分布保正交換保障的功能，單獨或同時破壞這些因子都使得I型交換的分布模式處於“半隨機”狀態，伴隨著5％的同源染色體上缺乏I型交換（圖1C）。在fancm、figl1和rmi1突變體中，雖然II型交換數目升高，但是II交換在染色體間隨機分布，並不能完全保證缺乏I型交換的染色體獲得交換，因此這些突變體中仍能觀察到未發生交換的染色體單體。
進一步遺傳分析揭示，FANCM、FIGL1、RMI1和FANCD２在調控I型交換分布，維持交換保障過程利用類似的機製。而在調控交換數目時則通過不同的途徑，有意思的是FANCD2在fancm突變體背景下仍然促進II型交換形成的功能，而在figl1或rmi1突變體背景下，FANCD2則抑製II型交換的形成（圖1B）。
圖1：擬南芥減數分裂交換數目和頻率的調控模型。
綜上所述，本研究以擬南芥為研究對象，揭示了多個II型交換數目調控因子具有調控I型交換在染色體間分布，維持交換保障的功能，為保障現象的分子維持機製提供了新視角，也為操縱交換分布模式和交換頻率，加速作物育種提供了理論依據。
万博英超狼队网官方网 王應祥課題組已畢業博士研究生李翔為文章第一作者（現工作單位為河南農業大學園藝學院），王應祥為文章通訊作者。狗万外围充值 兼職教授、北卡羅來納大學教堂山分校Gregory Copenhaver教授和黃霽月博士後也參與了該項工作。該研究得到了國家自然科學傑出青年基金，美國國家科學基金以及狗万外围充值 的資助。