New Phytol [2022 IF8.3 ]中南民族大學(xué)生科院劉冰教授團(tuán)隊使用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動和分離；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，但因為其不能被DNA吸收因而被認(rèn)為對生命體的毒害作用相對較小；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制具有重要意義；同時，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)新專項等項目資助。
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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。
