舶来赏析| 两篇PJ文章解析TaSPO11-1和TaSPO11-2的进化及对小麦减数分裂重组的影响

改善栽培物种的遗传多样性至关重要，特别是对于农业的可持续发展，例如使用较低数量的水、化肥、杀虫剂或杀真菌剂。探索自然界已经存在的丰富基因资源，通过杂交将表现优越的等位基因转移到栽培品种中能够有效地应对这一挑战。而减数分裂重组在该过程中起着重要作用，如何对其进行调控是快速培育新品种以及持续获得大量多样性材料的关键。特异性DNA双链断裂（DSBs）由进化上保守的拓扑异构酶样蛋白SPO11和相关蛋白介导，会引发同源染色体重组，并导致最终的染色体交换。SPO11蛋白的缺失会导致减数分裂DSBs缺乏和有缺陷交换的形成，引发减数分裂I期染色体分离错误造成植株不育。

在多数物种中，SPO11蛋白由一个单基因编码，而在有些植物中该基因有多个拷贝。拟南芥中，该基因有三个拷贝（SPO11-1、-2、-3），只有SPO11-1和SPO11-2是减数分裂准确进行所必需的，SPO11-3只参与体细胞的核内复制过程。在水稻中已鉴定SPO11同源基因有5个（OsSPO11-1、-2、-3、-4、-5），其中OsSPO11-1和OsSPO11-2的突变会影响减数分裂的进程并导致不育。至今，尚无研究对多倍体物种中的SPO11基因进行分析。

法国克莱蒙奥弗涅大学Da lnes和Benyahya等人以基因组较大且复杂程度高的六倍体小麦为研究对象，鉴定了小麦中基因TaSPO11-1和TaSPO11-2的同源拷贝，并进行了进化和功能分析。研究结果分别以“Bread wheat TaSPO11-1 exhibits evolutionarily conserved function in meiotic recombination across distant plant species”和“SPO11.2 is essential for programmed double-strand break formation during meiosis in bread wheat (Triticum aestivum L.)”为题发表在The Plant Journal上。

（1）以拟南芥SPO11-1蛋白序列（At3g13170）为参照，对IWGSC数据库进行BLAST-P分析，筛选到三个同源拷贝，位于第五同源群：TraesCS5A02G391400（TaSPO11-1-5A），TraesCS5B02G396300（TaSPO11-1-5B）和TraesCS5D02G401100（TaSPO11-1-5D）。三者序列长度相似均约3.9kb，包含15个外显子和14个内含子。编码区序列约1.2kb，一致性高达99%，编码的蛋白序列分别包含387、386和387个氨基酸。单氨基酸多态性（SAP）出现在5A的第45和74位氨基酸，5B的第189和291位氨基酸，5D的第64和66位氨基酸上。与小麦祖先种T. urartu (TRIUR3_12346) 和Aegilops tauschii（LOC109743941） 中的SPO11-1基因和蛋白序列比较发现，该基因在小麦族中极其保守（Table 1）。

Table 1 小麦、小麦祖先种和拟南芥中SPO11-1基因的特征

作者比较分析了小麦和拟南芥SPO11-1蛋白序列的七个保守基序，并对105个植物基因组的SPO-11-1蛋白序列进行了系统发育分析，发现单子叶植物和双子叶植物之间的划分清晰，即使在演化支之间，7个主要基序也几乎完全保存下来，从而证明了该蛋白序列在整个植物种群中高度保守。

最后作者利用小麦TaSPO11-1-5D编码序列对水稻spo11-1突变体进行互补分析，确认了单子叶植物蛋白之间的功能相似性（Fig 1）。值得注意的是，尽管小麦和拟南芥的SPO11-1蛋白只有55%的一致性，而且伴侣蛋白也有所不同，但在拟南芥spo11-1突变体中表达TaSPO11-1-5D基因，能够恢复其正常的减数分裂过程，提高拟南芥spo11-1突变体的育性，表明SPO11-1蛋白活性在遗传关系较远的植物中也能发挥功能（Fig 2）。

Fig 1 小麦TaSPO11-1-5D恢复水稻spo11-1突变体的育性

Fig 2 小麦TaSPO11-1-5D恢复拟南芥spo11-1突变体的减数分裂进程和育性

（2）以拟南芥SPO11-2蛋白序列（AT1G63990.1）为参照，同样筛选到三个拷贝，但位于小麦第七同源群：TraesCS7A02G300300.1（TaSPO11-2-7A），TraesCS7B02G201200.1（TaSPO11-2-7B）和TraesCS7D02G296000.2（TaSPO11-2-7D）。7A、7B和7D中SPO11-2基因的序列长度分别为3085 bp、3299 bp和3026 bp，比拟南芥该基因的核苷酸序列多了50%，说明小麦中SPO11-2基因内含子序列较长。对小麦中SPO11-2基因进行从头注释，发现7B和7D上该基因含有11个外显子，与拟南芥相同。而7A上该基因仅包含10个外显子，且第二个外显子存在两个核苷酸（CC）的缺失，导致了终止密码子提前出现，表明其编码的是非功能蛋白（Fig 3）。与小麦祖先种中的SPO11-2基因比较发现，该突变未出现在乌拉尔图小麦中，但出现在四倍体T. dicoccoides中，表明这两个核苷酸缺失事件发生在小麦第一次多倍体化之后。

Fig 3 小麦SPO11-2同源基因的表征

作者进一步通过互补实验揭示小麦TaSPO11-2-7D基因能在拟南芥spo11-2突变体中异源表达并恢复其育性。对TaSPO11-2-7D转化后的拟南芥spo11-2突变体花粉母细胞进行细胞遗传学分析，显示该突变恢复了正常的减数分裂（Fig 4）。

Fig 4 小麦TaSPO11-2-7D恢复拟南芥spo11-2突变体的育性和减数分裂进程

作者最后利用单、双和三重突变体研究了SPO11-2基因在减数分裂中的作用，发现三个拷贝（A、B和D）的三重突变体是不育的（Fig 5）。对这些突变体的细胞学分析显示，染色体联会缺陷，二价体形成和DMC1（disrupted meiotic cDNA gene）位点数量严重减少，从而确认了TaSPO11‐2在小麦减数分裂重组中的重要作用（Fig 6）。在此过程中发现，A拷贝保留的双重突变体也是不育的，但在该突变体中仍然可以看到一些DMC1位点，表明A拷贝存有残余活性，只是不足以恢复植株育性能力。

Fig 5 小麦spo11-2突变体的育性分析

Fig 6 小麦spo11-2突变体在前期I的联会复合体和DMC1位点分析

编后语：针对小麦中的SPO11-1和SPO11-2基因，两篇文章都是以拟南芥SPO11蛋白序列为参照，对小麦IWGSC数据库进行blast-P分析，从而鉴定出小麦中的SPO11-1和SPO11-2基因序列。两个基因均是三个拷贝，且高度保守。针对SPO11-1基因，作者做的进化分析较多一些，不但与自身的祖先种做了比较，还构建了105个物种的系统进化树。还通过转基因和突变体证明小麦中SPO11-1基因能够在水稻和拟南芥spo11-1突变体中发挥功能恢复其育性。针对SPO11-2基因，作者在完成进化分析之后，针对该基因三个拷贝构建了大量的单、双和三重突变体，对不同拷贝的SPO11-2基因进行了功能分析。这两项研究极大地促进了我们对小麦SPO11基因的认识，有助于我们深入了解小麦的减数分裂过程。像这种看同源基因功能研究的文章，一来是突出小麦进化特色；二来拟南芥、水稻突变体是很好的功能验证材料，尤其在小麦遗传转化周期长的背景下。

原文链接1：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/tpj.14882

原文链接2：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/tpj.14903

小麦族多组学网站：http://202.194.139.32