植物DNA复制因子RFC1调控减数分裂重组的分子机理

Meiotic recombination not only ensures the correct segregation between homologous chromosomes, but also directly affects the formation and quality of gametes. Thus, mutant with meiotic recombinational defects normally shows the decreased fertility. DNA synthesis is not only an important key step of the meiotic recombination pathway, but also essential for the growth and development. The loss of function of DNA synthetic genes often causes embryonic lethality, making it difficult to study their meiotic functions. To date, the function of DNA synthetic genes in meiotic recombination has not yet reported. Our previous study using molecular genetics, cell biology methods has demonstrated that the DNA replication factor C1 (RFC1) is essential for interference-sensitive crossover formation in meiotic recombination. We hypothesized that lagging strand DNA synthesis is important for the formation of double Holliday junctions, but not alternative recombination intermediates. Further analysis of the homologous gene of RFC1 in tomato using meiotic-specific gene silencing showed a similar function to its counterpart in Arabidopsis, suggesting that the function of RFC1 in meiosis is very conserved among species. However, the molecular mechanism of RFC1 in the regulation of meiotic recombination remains elusive. Building on the previous results, this project will fully utilize the established Y2H, Co-IP, cell biology, FISH, and immunofluorescence to investigate the molecular mechanism of RFC1 in regulating meiotic recombination. The results will provide a theoretical basis for genetic manipulation of crop genetic exchange by molecular breeding.

减数分裂重组不仅保证了同源染色体之间的正确分离，还直接影响配子的形成和质量。因此，减数分裂重组缺陷的突变体一般都表现出育性显著下降。DNA的合成不仅是重组中非常重要的环节，也是生长发育所必需，相关基因的功能缺失往往导致胚胎死亡。迄今为止，减数分裂重组环节中DNA合成方面的研究还鲜有报道。我们前期研究了DNA复制因子RFC1在减数分裂重组中的功能，并提出减数分裂重组主要通道中间体的形成需要DNA后随链的合成，该项成果为研究减数分裂重组环节DNA合成的分子机理提供了工作基础。进一步分析番茄同源基因在减数分裂中的功能，表明不同物种中RFC1在减数分裂中的功能非常保守。但是，RFC1是如何作用减数分裂重组的分子机理还不清楚。本项目拟采用分子遗传学、生物化学、分子细胞生物学、组学等手段，进一步阐明RFC1作用减数分裂重组的分子机理，研究结果能够为农作物分子育种提供重要的借鉴。

减数分裂是真核生物有性生殖所必需的环节，其重组导致了父母本染色体之间DNA的交换，从而增加后代的遗传差异。减数分裂重组主要包括DNA双链断裂、加工、合成和连接。其中，DNA合成是减数分裂重组中必不可少的一个环节，但是该过程中DNA因子还未有报道。此外，当前减数分裂的重组模型只包括了DNA前导链的合成，是否需要DNA后随链的合成更不清楚。本研究前期基础分析了拟南芥DNA后随链合成的重要因子RFC1，发现该基因在减数分裂重组中具有重要功能。由此提出，减数分裂重组主要通道需要DNA后随链的合成，同时纠正了近30年来科学家一直认为，减数分裂重组中只需要DNA前导链的合成。在此基础上，本项目主要研究了：1）番茄同源基因RFC1在减数分裂重组中的功能，及后随链合成因子Polα突变也表现出类似rfc1的功能（Science Bulletin，2016）；2）分析了DNA前导链延伸酶POL2A决定了重组通道的特异性（PNAS，2015）; 3）解析了减数分裂前期I染色体浓缩的分子机制及对重组的影响（Plant Cell，2016）；4）克隆并分析了一个新的重组起始因子BVF1（JXB，2017）；5）阐明了重组酶RAD51、RAD51C和XRCC3之间的遗传互作关系（PLOS Genetics，2017）。 基于今年来在重组方面的研究成果，2017年应邀在Annual Review of Plant Biology（2018）上撰写1篇题为“Meiotic Recombination：Mixing it Up in Plants”的综述。总结了减数分裂重组的最新进展，并提出减数分裂重组需要DNA后随链的合成和DNA合成决定了重组通道的特异性，改变了传统教科书中对重组的认识，以及为遗传变异的产生提供了新的视觉。同时表明以上研究成果已经得到国际同行的普遍认可。