玉米减数分裂异常突变体segII的候选基因鉴定及其功能解析

Meiosis recombination is initiated from the programmed formation of DNA double strand breaks (DSBs). The key pathways involving meiosis exhibit both similar and distinct characters in different organisms. The latest studies in yeast and mouse have shown that the histone modification, H3K4me3, play important roles in the establishment of DSB hotspots. The related mechanism, however, is still elusive in plant until now. In the segregation abnormality II (segII), a classic meiotic mutant in maize, the number of DSBs showed dramatically reduced, and the homologous chromosomes failed to pair between each other. Using map-based cloning, we delineated the mutation site into a 22kb region on chromosome 3, where only harboring one gene, encoding a putative histone methylation transferase and belonging to Arabidopsis Trithorax family. In this research, we will further identify the meiotic phenotypes in the segII mutants utilizing the multiple cytological approaches. In addition, the candidate gene underlying the segII mutation will be verified by creating new mutant alleles. Moreover, we will attempt to elucidate the roles of the candidate gene in regulating meiosis by integrating the results from multifaceted ways. Our results will shed light on how histone modifications are involving in controlling meiosis in plant.

减数分裂分子途径起始于程序化DNA双链断裂（DSB）位点的产生，其形成机制在不同物种间既呈现保守性，也具有一定程度的种属特异性。最新研究表明，在酵母和小鼠中，组蛋白修饰模式H3K4me3在DSB热点形成中起到核心调控作用，但其相关机制在植物中还不清楚。在经典的玉米减数分裂异常突变体segregation abnormality II （segII）中，DSB数量剧烈降低，同源染色体配对无法正确完成。利用图位克隆方法，我们已经将突变位点锁定在第三号染色体的一段22kb区间内；此区间只包含1个基因，与拟南芥ATX家族高度同源，编码可能的H3K4甲基化转移酶。本项目中，我们将利用多种细胞生物学手段，阐明segII突变体的染色体异常表型；结合多种分子生物学方法，验证候选基因，阐明其在减数分裂过程中的生物学功能。研究结果将为解析组蛋白甲基化对于植物减数分裂过程的表观遗传调控提供重要的研究方向。

减数分裂是有性繁殖生物中保守的一种细胞分裂方式，在这个过程中，同源染色体发生交叉互换，配子具有新的遗传组成，这种独特的细胞分裂方式不仅保证了染色体数目的稳定性，也创造了子代基因组成的多样性。在植物育种领域，通过减数分裂重组，打破基因间的连锁，促进优良等位基因聚合，这是育种的遗传学基础。玉米作为一种重要的禾本科作物，由于减数分裂细胞中染色体较大，易于观察，是进行细胞学研究的重要模式植物之一。染色体形态结构的维持是确保减数分裂得以顺利进行的重要因素之一。在减数分裂前期I，染色体的特殊浓缩凝聚状态的构象变化为正常减数分裂DSB形成、同源重组修复以及重组蛋白的定位提供了稳定环境和载体，使得减数分裂蛋白能够正常组装和定位。本研究通过图位克隆得到了一个减数分裂突变体SegII, 由于其在染色体形态结构调控中的功能，我们重新命名为Irregulatr Chromosome Configuration 1 (ICC1)，该基因除了含有一个F-box结构域外，并未检测到其它已知蛋白保守结构域。在icc1突变体中，最显著而独特的异常表型是：前期I染色体的形态结构不正常，染色体持续处于类似于细线期的松散状态，不能正常浓缩成一小团，核仁没有移动到核的一侧，而是一直被染色体包在中间；端粒也不能聚集形成花束状结构，最终形成20个单价体。进一步研究发现，在icc1突变体中，除了联会复合体蛋白ZYP1的定位存在缺陷，同时RAD51和DMC1的定位信号呈线状外，而其它主要减数分裂蛋白的定位正常，证明了减数分裂蛋白的组装不依赖于ICC1。最后，我们利用酵母双杂交和烟草分裂荧光素酶互补实验证明了ICC1与SKP1互作，证实了ICC1作为一个F-box蛋白参与构成了E3泛素连接酶SCF。因此，我们推断ICC1通过泛素化下游靶蛋白，可能通过蛋白降解途径或信号传递，调控减数分裂染色体形态构造和端粒花束的形成，进而影响了整个减数分裂染色体的运动状态，最终调控同源重组起始及修复过程。