近日，華中農(nóng)業(yè)大學作物遺傳改良全國重點實驗室油菜遺傳改良創(chuàng)新團隊楊超教授課題組研究成果以“The synaptonemal complex stabilizes meiosis in allotetraploid Brassica napus and autotetraploid Arabidopsis thaliana”在New Phytologist發(fā)表。研究揭示了聯(lián)會復合體在多倍體植物減數(shù)分裂中抑制多條部分同源（或同源）染色體配對和重組，從而促進減數(shù)分裂穩(wěn)定的重要功能，為指導多倍體育種和提高遠緣雜交中目標基因的導入效率提供了基因靶點。
自常規(guī)雜交育種開始，隨著育種家對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，其中提高遠緣物種遺傳物質(zhì)的導入效率是提升遠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和重組抑制是阻礙外源染色體片段成功導入的關(guān)鍵因素。
聯(lián)會復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，其缺失對二倍體植物（如擬南芥和水稻）的減數(shù)分裂過程影響并不大。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和重組的對象。但是，在多倍體中，每條染色體有多條潛在的配對對象，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對象，聯(lián)會復合體的及時組裝可能會穩(wěn)定兩者間的互作，以此來避免多條（同源或部分同源）染色體配對重組。然而，該假設(shè)尚需實驗驗證。
甘藍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)會復合體的中央?yún)^(qū)域組分，其缺失會導致聯(lián)會復合體不能組裝。本研究首先通過CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)創(chuàng)建了甘藍型油菜的不同zyp1突變體株系。通過考察結(jié)實率和花粉活力等，發(fā)現(xiàn)油菜zyp1突變體的育性嚴重降低。進一步考察四分體時期的減數(shù)分裂產(chǎn)物，在zyp1突變體中沒有觀察到平衡的四分體，表明ZYP1缺失對減數(shù)分裂造成嚴重破壞。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，從細線期到偶線期 zyp1突變體未看出明顯異常。當細胞進入粗線期，野生型中染色體完全配對聯(lián)會，zyp1突變體中染色體配對可以正常發(fā)生，基本上實現(xiàn)了染色體并置，這說明 ZYP1介導的聯(lián)會復合體缺失不會影響染色體配對能力本身。然而，在ZYP1缺失的性母細胞中，頻繁發(fā)現(xiàn)多條染色體配對并行的現(xiàn)象，并伴有配對對象的轉(zhuǎn)換。進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體形成。這些結(jié)果說明ZYP1介導的聯(lián)會復合體組裝可以抑制多條部分同源染色體配對和重組，從而確保異源四倍體甘藍型油菜減數(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)會復合體在抑制多條染色體互作中的功能，發(fā)現(xiàn) ZYP1的缺失同樣導致多條染色體配對和重組的頻率大幅增加，導致中期I多價體比例提高，表明聯(lián)會復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和重組的功能。
多倍化在基因組進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各種逆境脅迫更好的抗性。雖然人工誘導多倍化在作物改良中發(fā)揮重要作用，但成功實現(xiàn)人工合成的多倍體植物類型還很少。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介導的聯(lián)會復合體在抑制多條同源或部分同源染色體配對和重組中的關(guān)鍵功能，不僅豐富人們對植物多倍體化過程中減數(shù)分裂演化適應(yīng)機制的理解，同時為指導油菜、小麥等多倍體育種和提高遠緣雜交中外源基因的導入效率提供了調(diào)控靶點。
華中農(nóng)業(yè)大學植物科學技術(shù)學院博士研究生張雅詩為論文第一作者，華中農(nóng)業(yè)大學作物遺傳改良全國重點實驗室和國家油菜工程技術(shù)研究中心楊超教授為論文通訊作者。華中農(nóng)業(yè)大學國家油菜工程技術(shù)研究中心葛賢宏教授和德國漢堡大學Arp Schnittger教授對該工作給予了重要指導。該研究得到國家自然科學基金等項目資助。
