近日，威尼斯wns8885556生科院刘冰课题组在植物学顶级期刊NewPhytologist杂志发表题为“Ultraviolet attenuates centromere-mediated meiotic genome stability and alters gametophytic ploidy consistency in flowering plants”的研究论文。（原文链接：https://nph-onlinelibrary-wiley-com-s.webvpn.scuec.edu.cn/doi/epdf/10.1111/nph.19978）。威尼斯wns8885556生科院2022级研究生符慧琪为该论文第一作者，刘冰为通讯作者。根特大学Danny Geelen教授、复旦大学朱炎教授、海南大学李靖教授、威尼斯wns8885556余光辉教授、上海师范大学汪冲副教授以及浙江理工大学任梓铭副教授等参与了该项研究。Arp Schnittger教授、Elison B. Blancaflor教授、王应祥教授、严顺平教授、刘宏涛教授、杨仲南教授、朱骏教授、楼悦教授、Gregory Copenhaver教授以及江华教授为本研究提供了相关研究材料。威尼斯官网为论文第一单位。

此项研究发现紫外光照射（UV-C、UV-B或UV-A）会诱导拟南芥形成二倍体或多倍体雄配子（图1）。细胞遗传学研究发现，UV通过诱导meiotic restitution导致减数第二次分裂末期单倍体染色体组或细胞核发生融合，最终形成二倍体或多倍体小孢子（图2）。研究通过利用花粉特异性表达的fluorescent tagged lines (FTLs)证实UV诱导的非减数性小孢子中，大多数为同源染色体没有发生分离，即first division restitution（FDR）型（图2g和h）。进一步研究发现，UV干扰减数第二次分裂中期和后期纺锤体的正常构象，诱导纺锤体呈平行或三角形方向排布，从而导致减数第二次分裂末期染色体组之间无法形成细胞壁（图3a；图5；图6）。通过在矮牵牛和水稻中的研究，证实UV诱导二倍体雄配子可能在开花植物中普遍存在。此外，研究证实UV诱导的meiotic restitution并非由于绒毡层的发育受到影响所导致，而很可能是由于染色体调控因子JASON的功能收到干扰，以及AtPS1基因的表达下调所致。值得注意的是，研究发现并证实UV-C不影响减数分裂细胞染色体上DNA双链断裂形成的数量，因而并不影响染色体的完整性，这一点与体细胞中的情况以及其他类型辐射的作用具有差异。然而，着丝粒特异性H3（CENH3）蛋白功能异常突变体cenh3在紫外光下表现显著增加的姐妹染色单体提前分离现象，表明着丝粒在保护紫外光下植物减数分裂过程中姐妹染色单体凝聚的稳定性中发挥重要作用（图3；图4）。综上，本研究揭示了紫外光能够影响植物生殖细胞中着丝粒介导的基因组稳定性，以及干扰减数第二次分裂过程中纺锤体和成膜体的构象，从而影响雄配子基因组的倍性。这些发现暗示紫外光可能通过影响减数分裂从而在被子植物基因组进化和多倍化过程中发挥一定作用。当前极端气候频发，对生态环境和粮食安全造成了巨大威胁。因此，了解植物减数分裂响应和适应环境胁迫的分子遗传机理对于深入揭示环境因素在植物配子形成和基因组进化过程中的作用及其机制具有重要意义；同时，对于抗逆作物种质创新具有重要的理论参考意义。

近年来，刘冰课题组（http://www.arameiosis-bl.cn/）聚焦植物减数分裂如何响应和适应环境胁迫（主要为高温胁迫）这一科学问题，开展了一系列研究(Lei et al., 2020; Ning et al., 2021; Fu et al., 2022; Zhao et al., 2023)。目前，该课题组正在进一步深入研究植物减数分裂适应高温胁迫的分子遗传机制，以及紫外光影响植物减数分裂同源重组和cohesion稳定性的机制。此次研究成果得到了国家自然科学基金、湖北省自然科学基金以及武汉市知识创新专项等项目资助。

图1 UV诱导拟南芥形成二倍体小孢子

图2 UV诱导拟南芥发生非减数性减数分裂事件

图3 UV不影响减数分裂基因组完整性，但诱导异常的染色体组/细胞核分布

图4 UV干扰着丝粒介导的减数分裂细胞基因组稳定性

图5 UV干扰减数第二次分裂纺锤体和成膜体的正常构象

图6 UV干扰GFP标记的微管结合蛋白MAP65-3在四分体时期的亚细胞定位