近日，中南民族大學生命科學學院劉冰課題組（http://www.arameiosis-bl.cn）在Plant Physiology上發表題為“Interfered chromosome pairing at high temperature promotes meiotic instability in autotetraploid Arabidopsis”的研究論文。減數分裂是一種特殊的細胞分裂方式：在此過程中DNA複製一次，而染色體分離兩次，最終形成染色體數目減半的配子。在減數分裂前期，同源染色體之間發生配對和聯會，並進行同源重組，以產生新的基因組合，並保證後期染色體進行均等地分離。因此，減數分裂對於基因組穩定性、遺傳多樣性和個體的育性至關重要。減數分裂同源重組起始於DNA拓撲異構酶SPO11催化的DNA雙鏈的斷裂（DSB）的形成，隨後，DSB被同源重組酶RAD51和/或DMC1修復，最終部分DSB被修復形成交叉（crossover, CO），並促使同源重組發生。全基因組多倍化在植物進化過程中發揮重要作用，並且能夠透過增加基因組的可塑性提高植物對環境脅迫的耐受力。然而，加倍的染色體數目對多倍體植物減數分裂過程中染色體行為的調控也帶來了挑戰。
該課題組前期發現超過育性閾值的高溫（36℃–38℃)能夠透過抑制DSB的形成和聯會複合體的組裝從而抑制二倍體擬南芥同源重組的發生(Ning et al., 2021)。在本研究中，作者發現人工誘導的同源四倍體擬南芥（Arabidopsis thaliana）和水稻，以及四倍體油菜中均存在減數分裂不穩定性。透過對一系列溫度條件下染色體行為的分析，作者發現同源四倍體擬南芥減數分裂過程中染色體配對存在異常；並且，隨著環境溫度的升高，染色體分離和多價體形成的異常頻率也隨之提高，並與同源染色體配對的成功率呈負相關。這表明高溫透過干擾同源配對影響CO的成。同時，本研究證實，雖然極端高溫環境透過相同機制抑制普通二倍體和人工誘導的同源四倍體擬南芥雄性同源重組的發生，但是同源四倍體擬南芥中聯會複合體的形成比普通二倍體擬南芥對高溫更加敏感。此外，作者證實高溫是透過干擾染色體軸的穩定性從而影響聯會複合體基部原件的正常形態。本文研究結果暗示了未經進化適應的全基因組多倍化對植物減數分裂過程中染色體的行為及其對高溫的抗性具有消極影響，有助於深入瞭解全基因組多倍化影響植物基因組穩定性和適應環境溫度變化的機制。
本文與該課題組今年1月在Plant Physiology上發表題為“Heat stress interferes with formation of double-strand breaks and homolog synapsis”研究論文的第一作者均為中南民族大學生科院2018級本科生，劉冰為通訊作者。本研究由國家自然科學基金、湖北省自然科學基金和中南民族大學人才引進專案資助。作者感謝復旦大學王應祥教授、華中農業大學李靖教授和楊超教授在提供抗體和植物材料上的幫助與支援。目前，劉冰課題組正在深入研究高溫抑制減數分裂DSB形成的分子和遺傳學機制。
Figure 1. Male meiosis in autotetraploid Arabidopsis thaliana is unstable.
Figure 2. Meiotic chromosome behaviors in autotetraploid Col-0 at different temperatures.
Figure 3. Correlation analysis between chromosome behaviors in autotetraploid Col-0 at different temperatures.
Figure 4. Chromosome axis components in autotetraploid Arabidopsis are more sensitive to heat stress than those in diploid Arabidopsis.
Figure 5. Heat stress destabilizes lateral element of SC via impacted ASY3/4-mediated axe.
原文連結
https://academic.oup.com/plphys/advance-article-abstract/doi/10.1093/plphys/kiab563/6470545?redirectedFrom=fulltext
https://academic.oup.com/plphys/article/185/4/1783/6119656
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