Plant Physiology | 中南民族大学刘冰课题组揭示高温抑制减数分裂DSB形成的新机制

责编 | 王一

近日，中南民族大学生命科学学院刘冰课题组在Plant Physiology上发表了题为Interfered chromosome pairing at high temperature promotes meiotic instability in autotetraploid Arabidopsis的研究论文，报道了该课题组在高温抑制减数分裂DSB形成的分子和遗传学机制研究中取得的新进展。

减数分裂是一种特殊的细胞分裂方式：在此过程中DNA复制一次，而染色体分离两次，最终形成染色体数目减半的配子。在减数分裂前期，同源染色体之间发生配对和联会，并进行同源重组，以产生新的基因组合，并保证后期染色体进行均等地分离。因此，减数分裂对于基因组稳定性、遗传多样性和个体的育性至关重要。减数分裂同源重组起始于DNA拓扑异构酶SPO11催化的DNA双链的断裂（DSB）的形成，随后，DSB被同源重组酶RAD51和/或DMC1修复，最终部分DSB被修复形成交叉（crossover, CO），并促使同源重组发生。全基因组多倍化在植物进化过程中发挥重要作用，并且能够通过增加基因组的可塑性提高植物对环境胁迫的耐受力。然而，加倍的染色体数目对多倍体植物减数分裂过程中染色体行为的调控也带来了挑战。

该课题组前期发现超过育性阈值的高温（36℃–38℃) 能够通过抑制DSB的形成和联会复合体的组装从而抑制二倍体拟南芥同源重组的发生 (Ning et al., 2021)。在本研究中，作者发现人工诱导的同源四倍体拟南芥（Arabidopsis thaliana）和水稻，以及四倍体油菜中均存在减数分裂不稳定性。通过对一系列温度条件下染色体行为的分析，作者发现同源四倍体拟南芥减数分裂过程中染色体配对存在异常；并且，随着环境温度的升高，染色体分离和多价体形成的异常频率也随之提高，并与同源染色体配对的成功率呈负相关。这表明高温通过干扰同源配对影响CO的形成。同时，本研究证实，虽然极端高温环境通过相同机制抑制普通二倍体和人工诱导的同源四倍体拟南芥雄性同源重组的发生，但是同源四倍体拟南芥中联会复合体的形成比普通二倍体拟南芥对高温更加敏感。此外，作者证实高温是通过干扰染色体轴的稳定性从而影响联会复合体基部原件的正常形态。

Chromosome axis components in autotetraploid Arabidopsis are more sensitive to heat stress than those in diploid Arabidopsis.

本文研究结果暗示了未经进化适应的全基因组多倍化对植物减数分裂过程中染色体的行为及其对高温的抗性具有消极影响，有助于深入了解全基因组多倍化影响植物基因组稳定性和适应环境温度变化的机制。

本文与该课题组今年1月在Plant Physiology上发表题为“Heat stress interferes with formation of double-strand breaks and homolog synapsis”研究论文的第一作者均为中南民族大学生科院2018级本科生，刘冰为通讯作者。本研究由国家自然科学基金、湖北省自然科学基金和中南民族大学人才引进项目资助。作者感谢复旦大学王应祥教授、华中农业大学李靖教授和杨超教授在提供抗体和植物材料上的帮助与支持。目前，刘冰课题组正在深入研究高温抑制减数分裂DSB形成的分子和遗传学机制。

刘冰课题组链接：

http://www.arameiosis-bl.cn

原文链接

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

参考文献

Ning, Y., Liu, Q., Wang, C., Qin, E., Wu, Z., Wang, M., Yang, K., Elesawi, I.E., Chen, C., Liu, H., Qin, R., and Liu, B. (2021). Heat stress interferes with formation of double-strand breaks and homolog synapsis. Plant Physiol 185,1783-1797.

Huiqi Fu, Jiayi Zhao, Ziming Ren, Ke Yang, Chong Wang, Xiaohong Zhang, Ibrahim Eid Elesawi, Xianhua Zhang, Jing Xia, Chunli Chen, Ping Lu, Yongxing Chen, Hong Liu, Guanghui Yu, Bing Liu, Interfered chromosome pairing at high temperature promotes meiotic instability in autotetraploid Arabidopsis, Plant Physiology, 2021;, kiab563