New Phytol [2022 IF8.3 ]中南民族大學(xué)生科院劉冰教授團(tuán)隊(duì)使用GUS染色試劑盒（目錄號：RTU4032）發(fā)表文章
New Phytol | 中南民族大學(xué)劉冰課題組發(fā)現(xiàn)紫外光影響植物生殖細(xì)胞基因組穩(wěn)定性并誘導(dǎo)產(chǎn)生二倍體雄配子
減數(shù)分裂是真核生物維持基因組穩(wěn)定性和產(chǎn)生遺傳多樣性的基礎(chǔ)。在減數(shù)第一次分裂前期，同源染色體之間發(fā)生同源重組，產(chǎn)生新的非等位基因組合，并保證染色體在后期進(jìn)行均等分離，從而產(chǎn)生染色體數(shù)目減半的可育配子。減數(shù)分裂同源重組起始于DNA雙鏈斷裂（DSB）的形成；隨后，DSB通過RAD51/DMC1介導(dǎo)的同源重組途徑被修復(fù)，期中少部分被修復(fù)形成遺傳交叉（crossover，CO）。DSB的正常修復(fù)對于染色體保持完整性至關(guān)重要，其異常會引起染色體片段化以及分離異常，最終導(dǎo)致植物敗育。在減數(shù)分裂過程中，姐妹染色單體僅在減數(shù)第二次分裂后期發(fā)生分離，其凝聚和分離由cohesin蛋白組成的cohesion復(fù)合體調(diào)控。微絲和微管組成的細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)紡錘體控制染色體的運(yùn)動(dòng)和分離；染色體分離后，成膜體在染色體組或細(xì)胞核之間形成，促進(jìn)細(xì)胞板的形成和胞質(zhì)分裂的發(fā)生。紡錘體或成膜體構(gòu)建異常會導(dǎo)致染色體分離異常，形成非整倍體，或?qū)е路菧p數(shù)性減數(shù)分裂事件（meiotic restitution）的發(fā)生，從而產(chǎn)生二倍體或多倍體配子。
植物減數(shù)分裂對環(huán)境因素（尤其是溫度的變化）十分敏感。在許多物種中的研究發(fā)現(xiàn)，不同的溫度條件對減數(shù)分裂多個(gè)過程均會產(chǎn)生影響，并且這些影響在不同物種中存在相似性或差異性。總的來說，其后果包括誘導(dǎo)植物產(chǎn)生二倍體或多倍體配子，或由于形成非整倍體配子從而導(dǎo)致植物敗育。除溫度以外，光照是植物生長發(fā)育過程中最易接受到的環(huán)境條件。植物在進(jìn)行光合作用過程中，必不可少地受到紫外光（UV）的照射。UV按照波長被分為UV-C、UV-B和UV-A三類。UV-C波長最短而能量最高，陽光中的UV-C被臭氧層遮擋和吸收因而無法到達(dá)地球表面；UV-A波長最長而能量最低，能夠透過大氣層到達(dá)地表，但因?yàn)槠洳荒鼙籇NA吸收因而被認(rèn)為對生命體的毒害作用相對較??；相比之下，UV-B能夠到達(dá)地表并被DNA吸收，從而影響各類生命體的生長和發(fā)育。UV（尤其是UV-B）對植物生長發(fā)育的影響存在劑量效應(yīng)：在一定劑量范圍內(nèi)，它作為一種信號分子觸發(fā)細(xì)胞內(nèi)的遺傳信號通路，從而調(diào)控細(xì)胞行為以及植物生長和發(fā)育；當(dāng)劑量超過一定范圍，它作為一種脅迫可以直接影響DNA的穩(wěn)定性。在植物中，UV Resistance Locus 8（UVR8）作為UV-B的核心感受蛋白介導(dǎo)細(xì)胞對UV-B的響應(yīng)。已有研究表明部分UV-B引起的細(xì)胞行為不依賴UVR8，并且，UVR8也參與細(xì)胞對其他波長紫外光的響應(yīng)。大量研究表明，植物花粉（尤其是花粉細(xì)胞壁）的發(fā)育對UV十分敏感；然而，紫外對植物減數(shù)分裂過程中染色體與DNA的影響目前尚不清楚。
近日，中南民族大學(xué)生科院劉冰課題組在植物學(xué)頂級期刊New Phytologist雜志發(fā)表題為“Ultraviolet attenuates centromere-mediated meiotic genome stability and alters gametophytic ploidy consistency in flowering plants”的研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)紫外光影響植物生殖細(xì)胞基因組穩(wěn)定性并誘導(dǎo)產(chǎn)生二倍體雄配子。
該研究發(fā)現(xiàn)紫外光照射（UV-C、UV-B或UV-A）會誘導(dǎo)擬南芥形成二倍體或多倍體雄配子。細(xì)胞遺傳學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，UV通過誘導(dǎo)meiotic restitution導(dǎo)致減數(shù)第二次分裂末期單倍體染色體組或細(xì)胞核發(fā)生融合，最終形成二倍體或多倍體小孢子。作者通過利用花粉特異性表達(dá)的fluorescent tagged lines (FTLs)證實(shí)UV誘導(dǎo)的非減數(shù)性小孢子中，大多數(shù)為同源染色體沒有發(fā)生分離，即first division restitution（FDR）型。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，UV干擾減數(shù)第二次分裂中期和后期紡錘體的正常構(gòu)象，誘導(dǎo)紡錘體呈平行或三角形方向排布，從而導(dǎo)致減數(shù)第二次分裂末期染色體組之間無法形成細(xì)胞壁。通過在矮牽牛和水稻中的研究，作者證實(shí)UV誘導(dǎo)二倍體雄配子可能在開花植物中普遍存在。此外，作者證實(shí)UV誘導(dǎo)的meiotic restitution并非由于絨氈層的發(fā)育受到影響所導(dǎo)致，而很可能是由于染色體調(diào)控因子JASON的功能收到干擾，以及AtPS1基因的表達(dá)下調(diào)所致。值得注意的是，作者發(fā)現(xiàn)并證實(shí)UV-C不影響減數(shù)分裂細(xì)胞染色體上DNA雙鏈斷裂形成的數(shù)量，因而并不影響染色體的完整性，這一點(diǎn)與體細(xì)胞中的情況以及其他類型輻射的作用具有差異。然而，著絲粒特異性H3（CENH3）蛋白功能異常突變體cenh3在紫外光下表現(xiàn)顯著增加的姐妹染色單體提前分離現(xiàn)象，表明著絲粒在保護(hù)紫外光下植物減數(shù)分裂過程中姐妹染色單體凝聚的穩(wěn)定性中發(fā)揮重要作用。
圖1 UV誘導(dǎo)擬南芥形成二倍體小孢子
綜上，該研究揭示了紫外光能夠影響植物生殖細(xì)胞中著絲粒介導(dǎo)的基因組穩(wěn)定性，以及干擾減數(shù)第二次分裂過程中紡錘體和成膜體的構(gòu)象，從而影響雄配子基因組的倍性。這些發(fā)現(xiàn)暗示紫外光可能通過影響減數(shù)分裂從而在被子植物基因組進(jìn)化和多倍化過程中發(fā)揮一定作用。
當(dāng)前極端氣候頻發(fā)，對生態(tài)環(huán)境和糧食安全造成了巨大威脅。因此，了解植物減數(shù)分裂響應(yīng)和適應(yīng)環(huán)境脅迫的分子遺傳機(jī)理對于深入揭示環(huán)境因素在植物配子形成和基因組進(jìn)化過程中的作用及其機(jī)制具有重要意義；同時(shí)，對于抗逆作物種質(zhì)創(chuàng)新具有重要的理論參考意義。
近年來，劉冰課題組（ http://www.arameiosis-bl.cn/ ）聚焦植物減數(shù)分裂如何響應(yīng)和適應(yīng)環(huán)境脅迫（主要為高溫脅迫）這一科學(xué)問題，開展了一系列研究(Lei et al., 2020; Ning et al., 2021; Fu et al., 2022; Zhao et al., 2023)。目前，該課題組正在進(jìn)一步深入研究植物減數(shù)分裂適應(yīng)高溫脅迫的分子遺傳機(jī)制，以及紫外光影響植物減數(shù)分裂同源重組和cohesion穩(wěn)定性的機(jī)制。
中南民族大學(xué)生科院2022級研究生符慧琪為該論文第一作者，劉冰為通訊作者。根特大學(xué)Danny Geelen教授、復(fù)旦大學(xué)朱炎教授、海南大學(xué)李靖教授、中南民族大學(xué)余光輝教授、上海師范大學(xué)汪沖副教授以及浙江理工大學(xué)任梓銘副教授等參與了該項(xiàng)研究。Arp Schnittger教授、Elison B. Blancaflor教授、王應(yīng)祥教授、嚴(yán)順平教授、劉宏濤教授、楊仲南教授、朱駿教授、樓悅教授、Gregory Copenhaver教授以及江華教授為本研究提供了相關(guān)研究材料。本研究由國家自然科學(xué)基金、湖北省自然科學(xué)基金以及武漢市知識創(chuàng)新專項(xiàng)等項(xiàng)目資助。
參考文獻(xiàn)
1. Jiayi Zhao, Huiqi Fu, Zhengze Wang, Min Zhang, Yaoqiong Liang, Xueying Cui, Wenjing Pan, Ziming Ren, Zhihua Wu, Yujie Zhang, Xin Gui, Li Huo, Xiaoning Lei, Chong Wang, Arp Schnittger, Wojciech P. Pawlowski, Bing Liu* (2024). Genetic variation in the species Arabidopsis thaliana reveals the existence of natural heat resilience factors for meiosis. (Preprint: https://biorxiv.org/cgi/content/short/2024.07.16.603532v1 );
2. Huiqi Fu, Jiaqi Zhong, Jiayi Zhao, Li Huo, Chong Wang, Dexuan Ma, Wenjing Pan, Limin Sun, Ziming Ren, Tianyi Fan, Ze Wang, Wenyi Wang, Xiaoning Lei, Guanghui Yu, Jing Li, Yan Zhu, Danny Geelen, Bing Liu* (2024). Ultraviolet attenuates centromere-mediated meiotic genome stability and alters gametophytic ploidy consistency in flowering plants. New Phytologist 10.1111/nph.19978
3. Jiayi Zhao, Xin Gui, Ziming Ren, Huiqi Fu, Chao Yang, Wenyi Wang, Qingpei Liu, Min Zhang, Chong Wang, Arp Schnittger, Bing Liu* (2023). ATM-mediated double-strand break repair is required for meiotic genome stability at high temperature. The Plant Journal 114, 403-423;
4. 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* (2022). Interfered chromosome pairing at high temperature promotes meiotic instability in autotetraploid Arabidopsis. Plant Physiology 188, 1210-1228;
5. Yingjie Ning#, Qingpei Liu#, Chong Wang#, Erdai Qin, Zhihua Wu, Minghui Wang, Ke Yang, Ibrahim Eid Elesawi, Chunli Chen, Hong Liu, Rui Qin, Bing Liu* (2021). Heat stress interferes with formation of double-strand breaks and homolog synapsis. Plant Physiology 185, 1783-1797;
6. Xiaoning Lei#, Yingjie Ning#, Ibrahim Eid Elesawi#, Ke Yang, Chunli Chen, Chong Wang*, Bing Liu* (2020). Heat stress interferes with chromosome segregation and cytokinesis during male meiosis in Arabidopsis thaliana. Plant Signaling & Behavior 15:5;
文章鏈接：https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1111/nph.19978
文章中GUS染色使用了RTU4032 GUS染色試劑盒。
