近日，The Plant Cell 在线发表了中国农业大学金危危 教授团队题为 "Heat Shock Protein 101 contributes to the thermotolerance of male meiosis in maize" 的研究论文。

减数分裂是真核生物有性生殖的基础，在维持植物基因组多样性和倍性稳定方面起着至关重要的作用，却也易受到包括高温在内的环境胁迫影响。过去的研究观察到，植物减数分裂期长时间暴露在热胁迫下会阻碍花粉母细胞的减数分裂染色体重组及其后续减数分裂进程，最终导致花粉育性的显著降低，但目前在植物中介导减数分裂耐热性的关键基因却很少被克隆。

01 Ms42 雄性不育表型是由 RAD51 招募失败等多个减数分裂缺陷引起的

Ms42 突变体植株在营养生长阶段发育正常，仅表现为花粉败育。通过 DAPI 染色、染色体荧光原位杂交 (FISH) 和蛋白质免疫荧光染色实验，对花粉母细胞的减数分裂过程进行了观察。结果表明 Ms42 突变体花粉母细胞的同源染色体配对和联会异常，且 DSB 修复关键蛋白 RAD51 不能被正常被招募到减数分裂染色体上，导致终变期形成单价体以及后续细胞分裂过程中出现染色体片段化的现象。因此， Ms42 突变体花粉母细胞减数分裂异常是造成花粉败育的原因。

▲ 图 1 Ms42 突变表型观察

02 Hsp101 显性突变导致了Ms42 减数分裂的缺陷

通过基因图位克隆策略，鉴定了 Ms42 基因编码热激蛋白家族成员 HSP101，该基因上的两个点突变造成保守功能域的氨基酸替换，可能引起了 HSP101 蛋白空间结构或者生化性质发生改变。进一步结合 CRISPR/Cas9 技术，证明了 HSP101 编码基因的显性突变导致了 Ms42 减数分裂缺陷和雄性不育。

03 HSP101 通过维持 DSB 的修复正向调控小孢子发生期间的耐热性

Hsp101 基因敲除系正常条件下减数分裂没有显著异常，花粉育性也不受影响。HSP101 特异在花粉母细胞中富集，而热激蛋白在响应热胁迫等逆境中起重要作用，那么 HSP101 是否对减数分裂过程的耐热性有重要作用？为了回答这一问题，该研究首先对处于减数分裂时期的该基因敲除系 Hsp101-In1 和野生型进行了热胁迫处理。结果表明，与野生型相比，Hsp101-In1 植株花粉母细胞中 DSB 修复蛋白 RAD51 招募发生严重缺陷；而在后续的进程中减数分裂染色体表现为严重的碎片化，最终造成 Hsp101-In1 植株花粉育性的显著下降。进一步对 Hsp101 过表达株系进行热胁迫处理，结果发现 Hsp101-OE 株系在极端高温下仍有较好的育性，说明提高 Hsp101 基因的表达可以显著提高玉米花粉的耐热能力。

▲ 图 2 热胁迫下，Hsp101 敲除系细胞学表型观察及过表达系花粉育性统计

04结论与讨论

该研究通过对玉米经典显性雄性不育突变体 Ms42 进行分析，首次揭示了其编码基因 Hsp101 作为关键正向调控因子介导玉米小孢子发生过程中耐热性的新功能，为热胁迫和植物花粉母细胞减数分裂之间的相互作用提供了新的见解，同时也为耐热品种的培育提供了重要的遗传资源。

该研究由中国农业大学植物生理学与生物化学国家重点实验室，国家玉米改良中心 金危危 教授 (现在天津农学院任职) 团队完成。金危危 教授和 黄伟 老师为该论文的共同通讯作者，中国农业大学博士研究生 李云飞 为该论文的第一作者。中国农业大学 董朝斌 教授也参与了该项研究。该研究得到国家重点研发计划项目 (2020YFE0202300)，国家自然科学基金 (U21A20212) 以及崖州湾科技城研究计划 (SYND-2022-10) 的支持。

团队介绍

中国农业大学农学院 金危危团队 长期从事植物基因组学，玉米株型、减数分裂及其他重要功能基因的克隆和分子育种研究。

金危危 博士，中国农业大学教授、博士生导师，现在天津农学院任职。2001 年获得武汉大学博士学位；2002-2004 年在美国威斯康星大学从事博士后研究。2005-2006 年在美国威斯康星大学任职助理研究员。2006 年入职中国农业大学任职教授。主要从事植物基因组学，玉米株型、减数分裂及其他重要功能基因的克隆和分子育种研究。团队近年来在 Nature Genetics、Nature Communications、Molecular Plant、Genome Biology、 PNAS 和 Plant Cell 等期刊发表 SCI 论文 50 余篇。2007 年入选教育部新世纪优秀人才支持计划；2010 年入选国家杰出青年科学基金项目；2014 年入选科技部“中青年科技创新领军人才”。2017 年获教育部技术发明奖一等奖 (排名第三) ；2018 年获国家自然科学奖二等奖 (排名第四) 。