减数分裂是真核生物有性生殖的基础，对于维持物种基因组多样性和倍性稳定方面起着至关重要的作用。然而减数分裂过程极易受环境因素，特别是高温胁迫的干扰，造成花粉败育，结实率降低【1】。蔗糖是光合作用的关键产物，可被转化酶（invertase）不可逆地降解为葡萄糖和果糖。蔗糖、葡萄糖和果糖不仅是碳代谢和能量代谢的基础原料，同时也作为信号分子，参与调控细胞分化、植物发育和逆境响应。在植物中，转化酶参与生殖发育和抗逆等多个生命过程【2】。转化酶活性的降低会显著影响可育花粉的形成，且逆境引起花粉育性下降也伴随着转化酶活性的改变，说明转化酶对雄配子发育有重要作用【1】。然而，转化酶具体调控雄配子发育的哪个阶段尚不明确，是否参与减数分裂这一关键步骤，也未见相关报道。

2022年9月14日，New Phytologist杂志在线发表了中国农业大学国家玉米改良中心/天津农学院金危危教授团队和中国农业大学国家玉米改良中心董朝斌教授团队合作的题为“Maize cytosolic invertase INVAN6 ensures faithful meiotic progression under heat stress”的研究论文。该论文通过对玉米经典显性雄性不育突变体Mei025的研究，发现编码细胞质转化酶（CIN）基因invan6的点突变造成花粉母细胞减数分裂异常，最终导致花粉败育。进一步的高温逆境实验证明了细胞质转化酶INVAN6对于玉米花粉母细胞的抗热性具有关键作用。

Mei025突变体营养生长正常，仅表现为花粉败育。通过DAPI染色和蛋白质免疫荧光染色实验，对花粉母细胞减数分裂过程进行了观察。结果显示，Mei025突变体花粉母细胞的染色质在粗线期之后染色质高度浓缩，两极取向的纺锤体不能正常形成，从而发生减数分裂停滞（图1）。通过图位克隆策略鉴定到了Mei025突变的功能基因，其编码细胞质转化酶INVAN6（INVERTASE ALKALINE NEUTRAL 6）。在Mei025突变体中，由于invan6基因的单碱基替换，造成了INVAN6第276位保守位置的天冬氨酸被替换成了天冬酰胺（D276N）。利用自身启动子（invan6pro）驱动invan6Mei025基因（Mei025突变体中invan6的变体）的表达，转基因阳性植株表现为雄性不育，且花粉母细胞减数分裂同样在粗线期之后停滞，证实了invan6基因的显性突变导致了Mei025减数分裂缺陷和雄性不育。

基因表达和蛋白定位分析显示，INVAN6主要在花粉母细胞中起作用。酶活分析表明，野生型的INVAN6能专一水解蔗糖，而突变型的INVAN6Mei025不具有转化酶活性。蛋白互作研究发现：INVAN6能自身互作形成多聚体，还能与4个细胞质转化酶以及7个14-3-3蛋白互作。因此，在野生型中，INVAN6依赖与其它细胞质转化酶、14-3-3等形成复合体发挥功能；而在Mei025/+突变体中，D276N突变型INVAN6Mei025不影响INVAN6的蛋白互作能力，突变蛋白可能通过与野生型INVAN6等互作，以显性负效应（Dominant Negative Effect）的方式抑制野生型蛋白或复合体中其它成员的功能（图2）。

invan6的敲除突变体（invan6KO）正常大田环境下，育性虽然降低了~10%，但未见明显的减数分裂异常；然而，减数分裂时期经过高温处理（35℃，24h）则导致invan6KO花粉母细胞染色质黏连，产生染色体桥和微核等现象（图3）；相应地，高温处理后的invan6KO突变体花粉育性急剧下降：高温处理的野生型材料能产生~80%的可育花粉，而invan6KO突变体中只有不到40%的可育花粉产生。由此可见，invan6对于玉米花粉母细胞减数分裂的抗热性有关键作用。进一步结合转录组测序分析，发现invan6基因在高温逆境条件下，可能通过调控T6P、SnRK1等信号通路基因、以及一系列糖代谢和糖转运基因的表达，来维持花药中糖分稳态，从而缓解逆境胁迫压力，维持花粉母细胞减数分裂的正常进行。

综上所述，本研究首次发现转化酶参与调控植物减数分裂，并证实参与糖代谢/糖信号的细胞质转化酶INVAN6对减数分裂的抗热性有关键作用。值得指出的是，invan6是继Ms42/Hsp101（同为本课题组报道）【3】之后，在玉米中发现的又一个调控减数分裂抗热性的关键因子。预示在热胁迫条件下，需要一系列基因来维持植物花粉母细胞减数分裂的正常进行。

该研究由中国农业大学国家玉米改良中心/天津农学院金危危教授团队和中国农业大学国家玉米改良中心董朝斌教授团队合作完成。金危危教授和董朝斌教授为该论文的共同通讯作者，讲师黄伟和博士毕业生生李云飞（现就职于安徽农业大学生命科学学院）为该论文的共同第一作者。澳大利亚澳洲国立大学阮勇凌教授也参与了该项研究。该研究得到国家自然科学基金(U21A20212)，崖州湾科技城研究计划(SYND-2022-10和SYND-2022-10)等基金的支持。

【1】De Storme N, Geelen D. 2014. The impact of environmental stress on male reproductive development in plants: biological processes and molecular mechanisms. Plant Cell Environ 37(1): 1-18.

【2】Ruan YL. 2014. Sucrose metabolism: gateway to diverse carbon use and sugar signaling. Annu Rev Plant Biol 65: 33-67.

【3】Li Y, Huang Y, Sun H, Wang T, Ru W, Pan L, Zhao X, Dong Z, Huang W, Jin W. 2022. Heat shock protein 101 contributes to the thermotolerance of male meiosis in maize. Plant Cell. doi: 10.1093/plcell/koac184/6618537.