水稻RceQ4A蛋白在减数分裂crossover形成中的分子机理研究

Meiotic recombination plays a central role during meiosis, which can increase genetic diversity by reciprocal exchanges of large DNA fragments between homologous chromatids. Identification and functional analysis of recombination-related genes will not only contribute to better understanding the molecular mechanisms of rice meiosis, but also beneficial to crop breeding. We previously have identificated an anti-CO factor from rice, RecQ4A, and generated the recq4a mutant by CRISPR/CAS9 system. The mutant presents no obvious defect in meiotic process, but increased recombination frequency compared with wild type. As a robust cytological markers of class I crossover, the number of HEI10 foci is not increased significantly in recq4a mutant. These results suggest that RecQ4A play a role in class Ⅱ crossover formation. In this proposal, we intend to reveal the molecular mechanism of RecQ4A in regulating recombination frequency, and to develop the application of RecQ4A in crop breeding. The study will not only improve our understanding of the meiotic regulatory network in plant, but also further provide new insights into traditional breeding in rice.

同源重组是减数分裂过程中的核心事件，介导了同源染色体间遗传物质的重组与交换。对该过程中影响重组频率关键基因的研究，不仅有助于加深对减数分裂整体机制的理解，同时对提高重组频率、加快育种进程有重要应用价值。我们在以往研究工作中，克隆了水稻中与重组频率相关基因RecQ4A，并借助CRISPR/Cas9技术获得相应突变体recq4a。水稻RecQ4A突变不影响植株的育性和减数分裂进程，而同源染色体的重组频率却有不同程度的提高，但标记Ⅰ类crossover数目的HEI10蛋白信号数目并未明显增加，表明RecQ4A参与II类crossover形成。本课题拟在前期工作基础上，通过深入分析RecQ4A基因的功能，以期解析RecQ4A影响重组频率的分子机制，同时对其在育种中的应用价值进行初步探讨。相关结果可进一步完善植物减数分裂调控的基因网络，亦为该基因的育种应用提供理论指导。

减数分裂是真核生物有性生殖细胞形成过程中的一类特殊类型的细胞分裂方式。同源重组是该过程中一个关键的核心事件，它直接导致了同源染色体之间遗传物质的重组和交换。同源重组一直都是减数分裂研究的热点。农作物新品种选育就是将优良基因通过遗传重组整合到同一遗传背景的过程。提高遗传重组频率不仅有助于打破不良基因的遗传累赘，还可以加速优良基因的聚合，达到缩短育种周期的目的。拟南芥AtRECQ4A的突变可以显著提高遗传重组频率，但水稻中还未见相关报道。我们采用同源克隆的方法，克隆了水稻OsRECQ4A基因，采用CRISPR/Cas9系统对该基因进行编辑，获得两个突变体Osrecq4a-1和Osrecq4a-2。与野生型水稻相比，Osrecq4a突变体植株形态正常，育性正常。细胞学观察发现在减数分裂过程中，Osrecq4a在各个时期均与野生型没有明显不同，表明Osrecq4a突变体减数分裂并没有缺陷。水稻Oshei10, Oszip4, Osmsh4, Osmsh5突变体同源染色体间Crossover数目减少，配子败育。而Osrecq4a与这些突变的双突变体花粉母细胞染色体行为部分恢复，配子育性提高，植株育性得到部分恢复。通过对Osrecq4a提高重组频率效率的遗传作图分析,发现OsRECQ4A的突变能够显著提高重组频率。Osrecq4a突变体中,第一类Crossover指示蛋白OsHEI10的数目与野生型相比没有增加。OsRECQ4A的突变可能导致第二类Crossover数目的增加。OsRECQ4A是水稻中可以显著提高重组频率的关键基因。我们期望通过对OsRECQ4A基因的遗传操控为改良粮食作物的重组频率、加速作物育种提供更好的对策。