综述：减数分裂重组与数量性状基因座定位的进展

《Current Opinion in Plant Biology》：Meiotic recombination and advances in quantitative trait locus mapping

本综述系统探讨了植物减数分裂过程中交叉（CO）形成的分子调控机制，重点介绍了促交叉因子（如ZMM蛋白、HEI10）和抗交叉因子（如RECQ4、FANCM）在调控交叉数量与分布中的作用，并阐述了通过表观遗传调控（如H3K4me3修饰）激活着丝粒周边异染色质区域交叉形成的策略。文章进一步分析了提升交叉频率对数量性状基因座（QTL）精细定位精度和作物育种效率的积极意义，为作物遗传改良提供了重要理论依据。

　　

引言

在真核生物减数分裂过程中，同源染色体会经历程序性的DNA双链断裂（DSBs）、配对、联会、同源导向的DSB修复以及通过交叉（CO）或非交叉事件进行的遗传重组。减数分裂交叉通过在同源染色体之间相互交换遗传变异，深刻影响着遗传多样性、数量性状基因座（QTL）定位和育种。重组过程始于拓扑异构酶样SPO11蛋白及其相关因子形成减数分裂特异性的DSBs。DSB末端通过双向5′–3′切除进行处理，产生3′端单链DNA（ssDNA）悬垂。ssDNA侵入同源染色体，寻找同源序列并产生重组中间体，如置换环和双霍利迪连接体。这些重组中间体随后被解析为交叉或非交叉。值得注意的是，尽管DSBs和重组中间体的发生频率大约是交叉事件的10到20倍，但交叉的数量通常被限制在每个染色体对1到3个。因此，交叉在DSB修复过程中受到抗重组因子的严格限制，但必须至少保证每个染色体对有一个交叉以确保正确的染色体分离。这主要通过两个不同的促交叉通路介导：I类通路和II类通路。I类交叉约占交叉总数的85%，由一组称为ZMM（包括ZIP4、SHOC1/ZIP2、PTD、HEI10、HEIP1、MER3、MSH4和MSH5）的促交叉因子和拟南芥中的MutLγ复合物促进。这类交叉受到干扰现象的影响，即多个交叉的间距比随机分布所预期的要远。在拟南芥中，I类干扰交叉的数量和定位可以通过粗化模型来解释。在该模型中，HEI10——一种保守的ZMM蛋白中的RING型E3连接酶——以剂量依赖的方式促进交叉形成，尽管其E3连接酶活性尚未被直接证实。HEI10表现出可扩散和积累的动态特性，沿着联会复合体（SC）——一种连接同源染色体的三联体结构——向交叉位点移动，并通过在SC和核质之间交换来实现。II类交叉约占交叉总数的5-10%，表现出非干扰分布，并部分由MUS81内切核酸酶介导。

增加杂交种中交叉的遗传策略

尽管存在过量的减数分裂DSBs和重组中间体，但交叉数量的有限性推动了对抗交叉因子的探索。在拟南芥中，这些因子是通过对zmm抑制子突变体的遗传筛选鉴定出来的，这些突变体恢复了如zip4、hei10和msh4等zmm突变体降低的育性和单价体表型。有趣的是，zmm抑制子显示出比野生型植物更高的交叉频率，并且这些额外的交叉事件主要发生在基因丰富的常染色体臂上。这些抗交叉因子，如RECQ4、FANCM和ZYP1，通过抑制非交叉途径或促进交叉中间体的分解来限制交叉的形成。对这些因子进行基因操作，例如引入recq4或fancm突变，可以在包括水稻、豌豆、番茄和小麦在内的多种作物杂交种中显著增加交叉数量。类似地，使用CRISPR（成簇规律间隔短回文重复序列）/Cas9（CRISPR相关蛋白9）技术进行基因组编辑，以敲除这些抗交叉因子，已成为提高作物重组频率的有效策略。

解锁着丝粒周边区域的交叉

虽然对DSB修复两条通路中促交叉和抗交叉调节因子的遗传操作已导致减数分裂交叉的显著增加，但这些额外的事件主要发生在基因丰富的常染色体臂上。相比之下，异染色质的着丝粒周边区域仍然相对缺乏交叉，仅显示出适度的增加。考虑到许多作物物种拥有广阔的着丝粒周边区域，并且大多数交叉发生在染色体臂上，解锁这些区域的交叉对于释放这些大型基因组区域的遗传多样性至关重要。表观遗传机制，如组蛋白修饰（例如H3K4me3），在抑制着丝粒周边区域的交叉重组中起着关键作用。通过操纵这些表观遗传标记，例如通过突变参与H3K4me3去甲基化的基因，可以激活着丝粒周边区域的交叉形成。这为打破着丝粒周边区域的连锁不平衡和利用这些区域的遗传变异进行作物改良提供了新的途径。

提升交叉以改进QTL精细定位

除了精确的表型分析和大的作图群体规模外，QTLs的遗传作图分辨率取决于染色体上的交叉频率，并受到每个染色体对仅有1-3个交叉事件的限制。通常，永生化作图群体，如重组自交系（RILs）和近等基因系（NILs），被用于初始的QTL分析，因为它们提供了可靠的表型信息。然而，特定QTLs的精细定位通常需要构建次级群体，这既耗时又费力。通过增加交叉频率，可以显著提高QTL作图的精度，从而能够更精确地定位控制重要农艺性状的基因。高交叉频率有助于分解紧密连锁的位点，打破不良等位基因与理想等位基因之间的连锁累赘，从而加速作物育种进程。

结论与未来展望

通过高通量遗传筛选和基因组学方法，已在拟南芥中鉴定出多种抗交叉因子，包括RECQ4、FANCM和ZYP1，以及促交叉因子HEI10。其中，recq4和fancm突变已被证明可在水稻、豌豆、番茄和小麦等多种作物杂交种中增加交叉。类似地，使用CRISPR/Cas9进行基因组编辑以敲除这些因子，为作物重组频率的工程化提供了有前景的工具。未来研究应集中于在不同作物物种中鉴定和表征额外的抗交叉因子，并探索组合突变策略以最大化交叉数量，同时最小化对育性和基因组稳定性的潜在负面影响。此外，进一步阐明表观遗传机制如何调控异染色质区域的交叉形成，将为全面解锁植物基因组的重组潜力提供关键见解。最终，这些进展将极大地促进QTL精细定位和作物育种，为应对全球粮食安全挑战做出贡献。