近日，中南民族大學(xué)生科院劉冰課題組在植物學(xué)頂級(jí)期刊NewPhytologist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。（原文鏈接：https://nph-onlinelibrary-wiley-com-s.webvpn.scuec.edu.cn/doi/epdf/10.1111/nph.19978）。中南民族大學(xué)生科院2022級(jí)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。我校為論文第一單位。
此項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)紫外光照射（UV-C、UV-B或UV-A）會(huì)誘導(dǎo)擬南芥形成二倍體或多倍體雄配子（圖1）。細(xì)胞遺傳學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，UV通過(guò)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（圖2）。研究通過(guò)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(méi)有發(fā)生分離，即first division restitution（FDR）型（圖2g和h）。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(wú)法形成細(xì)胞壁（圖3a；圖5；圖6）。通過(guò)在矮牽牛和水稻中的研究，證實(shí)UV誘導(dǎo)二倍體雄配子可能在開(kāi)花植物中普遍存在。此外，研究證實(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，研究發(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(lèi)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(guò)程中姐妹染色單體凝聚的穩(wěn)定性中發(fā)揮重要作用（圖3；圖4）。綜上，本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(guò)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(guò)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(guò)程中發(fā)揮一定作用。當(dāng)前極端氣候頻發(fā)，對(duì)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(duì)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(guò)程中的作用及其機(jī)制具有重要意義；同時(shí)，對(duì)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(lái)，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(wèn)題，開(kāi)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。此次研究成果得到了國(guó)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(shí)創(chuàng)新專(zhuān)項(xiàng)等項(xiàng)目資助。
圖1 UV誘導(dǎo)擬南芥形成二倍體小孢子
圖2 UV誘導(dǎo)擬南芥發(fā)生非減數(shù)性減數(shù)分裂事件
圖3 UV不影響減數(shù)分裂基因組完整性，但誘導(dǎo)異常的染色體組/細(xì)胞核分布
圖4 UV干擾著絲粒介導(dǎo)的減數(shù)分裂細(xì)胞基因組穩(wěn)定性
圖5 UV干擾減數(shù)第二次分裂紡錘體和成膜體的正常構(gòu)象
圖6 UV干擾GFP標(biāo)記的微管結(jié)合蛋白MAP65-3在四分體時(shí)期的亞細(xì)胞定位
