减数分裂是真核生物进行有性生殖的基础，对于维持基因组稳定性和产生遗传多样以及进化至关重要。在不同物种中的研究表明，环境因素，尤其是高温，能够干扰多个减数分裂过程，最终影响植物的育性和配子的遗传多样性(1-4)。水稻等作物中的研究表明，在生殖发育过程中，减数分裂过程对高温尤其敏感，并且，由高温造成的减数分裂缺陷是导致植物败育的主要原因。在高温胁迫下，植物减数分裂同源重组频率降低或被完全抑制是许多物种中的共性，而其中的遗传机理尚不清楚。摘要：减数分裂是真核生物进行有性生殖的基础，对于维持基因组稳定性和产生遗传多样以及进化至关重要。在不同物种中的研究表明，环境因素，尤其是高温，能够干扰多个减数分裂过程，最终影响植物的育性和配子的遗传多样性
近日，中南民族大学Arameiosis Lab与合作者在Plant Physiology杂志发表题为“Genetic variation in Arabidopsis thaliana reveals the existence of natural heat resilience factors for meiosis”的研究性论文。该研究发现，拟南芥不同减数分裂过程的耐热性在Col和Ler两种生态型中具有显著差异，并证实拟南芥同源重组耐热性由多个遗传位点控制。作者利用细胞遗传学和关联分析解析了Col，Ler，及其杂交的F1代和F2代群体在高温胁迫下的减数分裂表型，发现在高温胁迫下，Col中DNA双链断裂（DSB）形成的数量显著下降，同源染色体配对和联会被完全破坏，最终导致遗传交换（CO）不能发生。相比之下，Ler中DSB形成的数量不受影响，并且能够进行正常的同源配对和联会，形成正常数量的CO。有趣的是，Col/Ler的F1代表现与Ler一样的同源重组耐热性，而在F2代中，仅有10%-20%的个体表现与Ler或F1代一样的耐热性。以上结果表明，拟南芥减数分裂同源重组耐热性由多遗传位点控制。
此外，Col与Ler在减数第一次分裂末期染色体的形态上表现不同的耐热性，作者推测这可能由高温下两个生态型中减数分裂细胞周期的调控存在差异所导致。同时，作者发现在染色体维持完整性（DSB修复）和姐妹染色单体分离（cohesion）这两个表型方面，F2代群体比亲本具有更高的热敏感性，暗示拟南芥减数分裂耐热性受到 transgressive 效应的调控。作者通过将不同表型进行关联分析，并对同源重组突变体进行细胞遗传学分析，发现同源重组时期同源染色体的配对和联会与重组结束后姐妹染色单体是否正常分离具有显著相关性，暗示配对和联会可能影响高温下减数分裂cohesion的正常功能。另外，作者证实高温下由ATM介导的DSB修复机制(5)在两种生态型拟南芥中具有功能保守性。综上，该研究证实拟南芥减数分裂耐热性由多个遗传位点上发生的自然变异调控，为后期进一步揭示植物减数分裂耐热性的分子遗传调控机制提供了重要理论基础。
Figure 1. Graphical Abstract of this study.
Figure 2. Lerreveals higher heat tolerance of CO and DSB formation.
Figure 3. Lerreveals higher heat tolerance of homolog pairing and synapsis.
Figure 4. Heat tolerance of CO formation in Arabidopsis is controlled by multiple loci.
本研究由中南民族大学Arameiosis Lab（http://www.arameiosis-bl.cn/）协同康奈尔大学Wojtek Pawlowski教授和汉堡大学Arp Schnittger教授等课题组合作完成。作者感谢华中农业大学杨超教授、河南大学陆平利教授、福建农林大学秦源教授为本研究提供植物材料；感谢华南农业大学王应祥教授和扬州大学程祝宽教授在本研究的开展过程中提出的宝贵建议。本研究得到了国家自然科学基金、湖北省自然科学基金以及中央高校基本科研业务经费的资助。目前，该课题组与合作者正在进一步对控制拟南芥同源重组耐热性的关键调控基因进行功能研究，以及减数分裂cohesion在热胁迫下的功能调控机制的研究。中南民族大学生科院已毕业硕士研究生赵嘉怡为该论文的第一作者。
参考文献
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来源：Past-Moon