维持异源多倍体物种减数分裂稳定性的分子机制被揭示

来源：BioArt植物

原标题：Nature Commun. | 维持异源多倍体物种减数分裂稳定性的分子机制被揭示

基因组多倍化，即全基因组加倍事件在物种的进化过程扮演着重要作用。全基因组加倍后产生了多倍体物种，多倍体可以分为同源多倍体和异源多倍体。同一物种经过染色体加倍形成的多倍体，称为同源多倍体（如三倍体香蕉，四倍体马铃薯）。异源多倍体指不同物种杂交产生的杂种后代经过染色体加倍形成的多倍体（如四倍体油菜，六倍体小麦）。异源四倍体油菜（Brassica napus, AACC, 2n = 38) 起源于7500年前的芜菁 (Brassica rapa, AA, 2n = 20) 和甘蓝(Brassica oleracea, CC, 2n = 18) 的种间杂交及随后的全基因组加倍事件【1】。油菜中的AA或CC基因组内序列完全同源的染色体称为同源染色体（Homologous Chromosomes），而A基因组和C基因组间序列只存在部分同源的染色体，被称为部分同源染色体（Homoeologous Chromosomes）。油菜的减数分裂过程中需要保证同源染色体间的交换，同时又要避免部分同源染色体间的交换，这样才能保证染色体的正确分离，避免非整倍体的产生，维持基因组的稳定性。对于维持同源染色体间交换形成已有相当多的报道，而对于如何避免异源多倍体中部分同源染色体间的交换目前还知之不多。

法国Paris-Saclay大学的Eric Jenczewski团队长期致力于油菜的减数分裂研究，前期的研究已经揭示，全基因组加倍后减数分裂重组相关的基因相比于其他基因会迅速恢复到单拷贝状态【2】。但这些基因恢复到单拷贝状态对于减数分裂有何影响还不清楚。近日该课题组揭示了油菜中减数分裂关键基因MSH4恢复到单拷贝的过程特异的影响部分同源染色体间的交换，而不影响同源染色体间的交换。该研究揭示了依赖于降低减数分裂关键基因拷贝数来维持异源多倍体物种减数分裂稳定性的特殊机制。相关结果以Reducing MSH4 copy number prevents meiotic crossovers between non-homologous chromosomes in Brassica napus为题发表于Nature Communications上。

为了回答减数分裂重组相关基因恢复到单拷贝状态对于减数分裂有何影响这个问题，研究者首先聚焦到了ZMM途径的相关基因(e.g., MER3, MSH4, MSH5, SHOC1, HEI10, PTD)，ZMM途径负责同源染色体I型交换的形成，该类型的交换占了减数分裂总交换的80%左右【3】。研究者发现该途径的MER3, MSH4, MSH5 和 ZIP4 基因在多数植物中，均以单拷贝形式存在。其中尤以MSH4最为明显，MSH4在所检测的二倍体物种中均以单拷贝存在，只有在非常近期形成的多倍体（形成时间少于1万年）中存在多个拷贝。四倍体油菜（AACC）中含有两个拷贝的MSH4，分别位于A, C基因组上一对部分同源染色体上命名为BnaA.MSH4和BnaC.MSH4，这两个拷贝相互称为部分同源基因 (Homoeologues sensu)，其中BnaC.MSH4转录水平是BnaA.MSH4的3-6倍。

为了研究MSH4的拷贝数的降低对于减数分裂的影响，研究者对油菜的两个MSH4进行突变，来模拟MSH4拷贝数的丢失过程对油菜减数分裂的影响。研究者筛选到了一个bnaa.msh4突变体，简称A1，两个bnac.msh4突变体，简称C1和C2。研究者首先探索了油菜MSH4对于同源染色体间交换的影响。与野生型A+A+C+C+相比，A1A1C1C1  或A1A1C2C2双突变中出现大量的染色体单体，同源染色体间交换数目降低了66%，并且降低的交换都是可以被HEI10和MLH1所标记的I型交换，这与已报道的msh4突变体的表型类似。而A1A1C+C+, A+A+C1C1, A+A+C2C2 和 A+A1C1C1中同源染色体交换的数目与野生型相比没有明显的变化，说明最小剂量的MSH4蛋白就可以满足I型同源染色体交换的形成。

进一步，研究者探讨了MSH4拷贝数对于部分同源染色体间交换形成的影响。研究者通过对杂合植物A+A1C+C1和A+A1C+C2的小孢子进行体外培养获得了异源单倍体 (allohaploid) A+C+,A+C1,  A+C2, A1C+，A1C1，A1C2，在这些异源单倍体植物中由于缺乏同源染色体，只能形成部分同源染色体间的交换。其中A+C+可以形成6.3个交换，而A1C+形成5.1个，A+C1形成2.2个，A+C2形成2.7个，A1C1和A1C2中进一步降低到了0.7个和1.3个。这些结果表明，不同于同源染色体间的交换，部分同源染色体间的交换随着对于MSH4拷贝数的降低而降低。部分同源染色体间的交换对于MSH4蛋白量的变化相当敏感。

综上，该研究揭示了MSH4拷贝数降低对于抑制部分同源染色体间交换形成的重要作用，解释了长期存在的多倍体物种中如何维持减数分裂稳定性的难题。同时，该研究也为作物育种中如何调控多倍体作物的交换的形成，尤其是部分同源染色体间交换的形成，提供了重要借鉴。

参考文献

【1】Chalhoub, B. et al. Early allopolyploid evolution in the post-Neolithic Brassica napus oilseed genome. Science 345, 950–953 (2014).

【2】Lloyd, A. H. et al. Meiotic gene evolution: Can you teach a new dog new tricks? Mol. Biol. Evol. 31, 1724–1727 (2014).

【3】Ziolkowski, P. A. et al. Natural variation and dosage of the HEI10 meiotic E3 ligase control Arabidopsis crossover recombination. Genes Dev. 31, 306–317 (2017).

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-019-10010-9