水稻减数分裂粗线期停滞基因MEP1的克隆与功能研究

Meiotic prophase I has been recognized as the crucial stage of meiosis, during which homologous chromosomes pair, synapse, and recombine. Identification and functional analysis of meiosis-specific new genes will contribute to better understanding the molecular mechanism of rice meiosis. Previously, we obtained a rice sterile mutant mep1. In mep1 meiocytes, meiosis was arrested at the pachytene stage and chromosomes frequently show a synapsed morphology. We isolated the candidate gene MEP1 by map-based cloning approach. MEP1 encodes a plant-specific unknown protein, which contains a conserved DNA-binding domain. In this proposal, we are going to perform meiotic chromosome observation, immunofluorescence test and double mutant analysis to investigate the MEP1 function in regulating the pachytene progression. We intend to analyze the downstream genes of MEP1 by ChIP-PCR assay and ChIP-seq assay. Those findings can not only to elucidate the biological function of MEP1 protein, but also further improve the meiotic regulatory network in rice.

减数分裂过程中，同源染色体之间经历着配对、联会和重组等一系列重要事件，对这一过程关键基因的发现与功能研究，有助于我们更好地认识减数分裂调控的分子机制。在之前的研究中，我们获得了一个水稻减数分裂粗线期停滞突变体mep1，通过图位克隆的方法分离了候选基因。该基因编码一个植物特有的功能未知蛋白，具有保守的DNA结合结构域。本课题拟在前期工作的基础上，通过染色体观察和免疫荧光染色实验、双突变体分析等工作深入研究MEP1的功能，阐明MEP1在调控减数分裂粗线期中所起的作用；通过染色质免疫共沉淀技术，结合PCR实验和大规模测序，分析受MEP1调控的下游减数分裂基因。研究结果不仅将很好地阐明MEP1蛋白的生物学功能，也会进一步完善植物减数分裂调控的基因网络。

减数分裂是有性生殖生物配子形成过程中发生的一类特殊的细胞分裂方式。减数分裂过程中，会发生特有的同源染色体配对、联会和交换等重要事件，生物体进化出相应的监督机制来保证这些事件有序协调地进行。酵母中研究发现，同源重组相关基因功能的丧失会激活粗线期检验点机制，使细胞停滞在粗线期，进而抑制细胞周期进程。目前植物中与减数分裂进程相关的研究相对较少。在此基础上，本项目立意植物配子发生过程中细胞周期调控，通过图位克隆获得了一个水稻中减数分裂粗线期停滞基因MEP1 (Meiosis arrested at pachytene 1)，并通过基因功能互补以及RNA干扰验证了该基因功能。常规细胞学切片、染色体制片、电镜观察及TUNEL等实验发现，mep1突变体花粉母细胞主要停滞在减数分裂前期I，随着花药发育诱发停滞的性母细胞发生细胞凋亡，DSB修复异常，DNA降解，花粉壁堆积形成异常，雄配子无活性。次生代谢组测序发现，mep1成熟花粉粒脂肪酸和蜡质组分含量与野生型相比呈现异常，很可能影响了花粉壁的组装。MEP1编码一个植物特有的转录因子，酵母实验以及双荧光素酶报告基因检测系统均证明MEP1蛋白有很强的转录活性。结合芯片数据以及次生代谢物分析结果，我们推测MEP1很可能通过影响水稻性母细胞减数分裂DSB修复基因、细胞周期调控基因及花粉壁相关基因的表达来调节配子发育。.本研究通过水稻中减数分裂停滞基因MEP1的功能研究，将减数分裂DSB修复、细胞周期与花粉壁组装联系在一起，丰富了植物中有关减数分裂细胞周期停滞的议题，从侧面暗示植物生殖细胞中“周期检验点”与酵母及动物细胞中的检验点的差异；为进一步研究水稻，乃至动植物减数分裂细胞周期的调控机制，提供了新的研究思路和方向。