玉米团队运用单细胞测序技术揭示玉米雌雄减数分裂重组交换的不同

南湖新闻网讯（通讯员 玉米）2月15日，我校严建兵教授团队在NatureCommunications杂志上发表了题为Single Gametophyte Sequencing Reveals that Crossover Events Differbetween Sexes in Maize的论文。该研究开发了玉米单个雌配子体的分离方法，并扩增测序了其基因组。结合之前同一个遗传材料已发表的单个小孢子基因组数据，利用Beam Film模型深度剖析了CO形成在性别间的差异，并检测到了CO成熟不完全（CO Maturation Inefficiency - CMI）的现象。研究发现在同一遗传背景下，雄配子（每个小孢子19.3次）相对于雌配子（每个胚囊12.4次）会发生更多的重组交换。

重组交换（Crossover - CO）是保证减数分裂中同源染色体均等分离的重要步骤，同时也为有性生殖生物提供了大量的遗传变异，是物种进化的基础。在不同物种间和同一物种内，CO发生的频率、染色体上的分布及干涉都存在差异。不仅如此，同一物种不同性别间的CO形成也可能存在差别。此前，基于哺乳动物或者人类的研究结果，因为遗传背景存在很大差别，这种性别的差异不能排除遗传背景的影响。在植物（拟南芥）的研究中，由于技术条件的限制，雌雄差异剖析得也不够深入。

作者进一步利用数学模型揭示了产生这种雌雄重组交换差异的原因。将雌雄减数分裂的重组交换数据进行Beam Film模型和Gamma模型模拟，结果都表明玉米雌性减数分裂过程较雄性存在更强的CO干涉和更少的非干涉型（II型）CO。2018年康奈尔大学的研究团队认为玉米雌雄减数分裂的CO形成没有太大差别，但将该数据用Beam Film模型模拟也同样发现了雌性有更强CO干涉和更少非干涉型CO的结论。这也是为什么在同样遗传背景和环境条件下，雌性CO比雄性CO少的原因。

另外，利用Beam Film模型还发现在玉米KYS和B73 x Mo17遗传背景下雌雄减数分裂都存在CMI现象，但不存在于SK x Zheng58遗传背景下。CMI是近年来才被证实的减数分裂重组过程中的重要事件，可能造成人类的唐氏综合征和幼年雄小鼠的败育。目前在哺乳动物中研究CMI的遗传基础和分子机理是非常困难的，该研究的结果暗示玉米可能是一种研究CMI的理想模式材料，将为我们深入理解重组发生的分子机制奠定基础。该研究也极大地改变了我们对减数分裂重组交换发生的认识，并对作物的杂交育种产生重要影响，意味着同一个杂交组合，正反交后代产生的重组事件的频率是不同的。

该研究得到了国家自然科学基金、作物遗传改良国家重点实验室自主课题及华中农业大学自主科技创新基金等项目资助。硕士研究生罗成和博士后李响是该文的共同第一作者；李响博士和严建兵教授是该文的共同通讯作者。罗成是生科院2017级硕士研究生；李响博士是2017年全国博士后创新人才支持计划入选者。李响首次在植物中实现了单细胞测序，并完成了一系列的植物单细胞测序的研究，剖析了三个方面的科学问题——重组交换的发生规律（Liet al, Nature Communications, 2015; Luo et al, Nature Communications, 2019）、有性生殖过程中染色体的重编程（Liet al, Molecular Plant, 2019）、和玉米单倍体诱导的机制（Li etal, Nature Communications, 2017; Liu et al, Molecular Plant, 2017）。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-08786-x

审核人：李响