王克剑/程祝宽合作团队利用基因编辑技术实现水稻遗传干涉现象的完全消除

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责编 | 王一

2021年10月1日，Frontiers in Plant Science基因编辑专刊在线发表了中国水稻研究所王克剑团队和中科院遗传发育所程祝宽团队合作完成的题为“Concurrent Disruption of Genetic Interference and Increase of Genetic Recombination Frequency in Hybrid Rice Using CRISPR/Cas9”的研究论文。该研究利用基因编辑技术对杂交稻减数分裂联会复合体中央元件基因进行编辑，同步实现了遗传干涉现象的完全消除与遗传重组频率的增加，为水稻种质资源创新和遗传多样性创造提供了一个高效途径。

图1：减数分裂染色体同源重组图

作物遗传育种过程主要依赖于不同品种或亚种间的广泛杂交、实现基因间的重组，再对重组的后代群体进行筛选，最终将不同的优良性状基因聚合到一起。但是在每条染色体上一般只发生1-2次的重组交换（图1）。此外，在染色体上一旦发生一次重组交换，将显著抑制在其附近发生第二次重组交换，这种现象被命名为交叉干涉（interference），由美国著名遗传学家穆勒于1916年最先在果蝇中报道并命名（Muller, American Naturalist, 1916，图2）。

图2：赫尔曼·约瑟夫·穆勒(Hermann Joseph Muller，1890-1967)

有限的遗传重组发生频率以及交叉干涉现象的存在，导致优异基因与众多不利基因之间存在着紧密的连锁关系，严重限制了不同优异基因之间的聚合。以CRISPR/Cas为代表的基因组编辑技术的出现与发展，使得对目标性状的修改达到了前所未有的精度和效率，开启了动植物改良的新时代。如何将基因组编辑技术与传统育种手段有效结合，打破遗传累赘、聚合优异基因、创造遗传多样性是当前育种家和遗传学家迫切需要解决的关键难题之一。

联会复合体是减数分裂期在同源染色体间形成的一种特殊蛋白复合体结构（图3）。虽然联会复合体广泛存在于不同物种当中，但是其具体生物学功能仍不清楚。

图3：联合复合体结构图（Syrjänen et al., elife, 2014）

前期，程祝宽团队王莫等在水稻中分离到联会复合体的中央元件蛋白ZEP1，细胞学观察发现zep1突变体中交叉数目有增加的趋势（Wang et al., Plant Cell, 2010）。王克剑团队进一步通过遗传学实验证明突变体中遗传重组频率同样得到显著提高（Wang et al., Mol Plant, 2015）。由于前期分离得到的突变体中仍然存有较长的残余氨基酸，因此联合复合体对重组以及干涉的影响仍未可知。在本研究中，科研人员利用基因组编辑技术在杂交水稻品种中对ZEP1基因进行编辑，成功创制出ZEP1基因功能完全丧失的材料。相较于野生型，ZEP1功能完全丧失材料表现为花粉完全不育，但是杂交实验表明雌配子育性与正常材料无明显差异（图4）。

图4：ZEP1功能完全丧失材料表现为雄性不育雌性可育表型

进一步对突变体进行授粉并对后代进行遗传分析发现：突变体中遗传重组频率提高了1.5倍左右，特别是在着丝粒重组冷点区域甚至提高到3.3倍之多（图5）。令人意外的是，在同一染色体的相邻区间相互干涉的强度几乎降为于0（图6），表明突变体中交叉干涉现象基本完全消失。该结果证明水稻联会复合体可能参与介导交叉干涉的形成。此外，该研究也为利用基因组编辑技术打破遗传累赘、实现优异基因聚合、提高育种效率提供了一种有效策略。

图5：ZEP1-KO材料中重组频率显著提高

图6：ZEP1-KO材料中遗传干涉被完全消除

中国水稻研究所的刘朝雷博士、华宇峰博士和中科院遗传发育所程祝宽课题组曹艺伟博士为论文的共同第一作者，中国水稻研究所/三亚中国农科院国家南繁研究院王克剑研究员为论文的通讯作者。该项目得到国家自然科学基金、中国农科院科技创新工程和中国水稻研究所重点研发等项目的资助。

参考文献：

Liu, C., Cao, Y., Hua, Y., Du, G., Liu, Q., Wei, X., Sun, T., Lin, J., Wu, M., Cheng, Z., and Wang, K. (2021) Concurrent disruption of genetic interference and increase of genetic recombination frequency in hybrid rice using CRISPR/Cas9. Front Plant Sci. 12, 2182.

Muller, H.J. (1916) The mechanism of crossing over. American Naturalist, 50, 193-221. doi:10.1086/279534

Syrjänen, J. L., Pellegrini, L., and Davies, O. R. (2014). A molecular model for the role of SYCP3 in meiotic chromosome organisation. eLife, 3, e02963.

Wang, K., Wang, C., Liu, Q., Liu, W., and Fu, Y. (2015). Increasing the genetic recombination frequency by partial loss of function of the synaptonemal complex in rice. Mol. Plant, 8, 1295-1298.

Wang, M., Wang, K., Tang, D., Wei, C., Li, M., Shen, Y., Chi, Z., Gu, M., and Cheng, Z. (2010). The central element protein ZEP1 of the synaptonemal complex regulates the number of crossovers during meiosis in rice. Plant cell, 22, 417-430.

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