通过植物育种提高作物产量是费时费力的，新的等位基因组合的产生受到染色体连锁的限制。减数分裂重组是通过重组亲本等位基因创造新的遗传变异。同源染色体之间的遗传信息交换发生在交叉位点(CO)上，但交叉位点的频率通常较低且分布不均匀。在植物中，程序性减数分裂特异性DNA双链断裂(DSBs)在SPO11复合体的催化下启动重组途径，尽管只有~5%的结果是COs的形成。

近日来自英国的的布里斯托大学的Mark Winfield团队在国际知名期刊Plant Biotechnology Journal杂志上在线发表了名为Identification, characterisation, and rescue of CRISPR/Cas9 generated wheat SPO11-1 mutants的研究论文。为了研究SPO11-1在小麦减数分裂中的作用，该团队使用CRISPR/Cas9对六倍体小麦的所有6个SPO11-1基因拷贝进行编辑。后代的表型显示，所有6个SPO11-1拷贝缺失的植株无法进行染色体联会，缺乏COs，不育。相比之下，携带三种野生型中的任何一种的单拷贝株系在表型上与未编辑的植物在营养生长和育性方面没有区别。此外，我们发现，携带6个经过编辑的带有TaSPO11-1B基因的SPO11-1的小麦突变体的转化，恢复了染色体联会、CO的形成和育性，从而为这种重要农艺作物的修饰重组开辟了一条途径。

在陆地植物中，减数分裂DSB是通过由SPO11-1/SPO11-2异二聚体和MTOPVIB同型二聚体组成的异四聚体形成的。SPO11是一种进化上保守的II型拓扑异构酶。大多数真核生物拥有单一的SPO11拷贝，尽管在一些植物物种中已经发现了多个SPO11的同源基因。例如，拟南芥有三个同源基因，而水稻有五个。在这两种情况下，只有SPO11-1和SPO11-2对减数分裂必不可少。SPO11-1和SPO11-2也在六倍体面包小麦(Triticum aestivum)中被发现，SPO11-2对DSB的形成至关重要。

TaSPO11-1是一个具有15个外显子的复杂基因，该团队专门设计了sgRNA4和sgRNA6对蛋白质活性位点的编码序列(SPO11-1A和SPO11-1D中的Y 129, SPO11-1B中的Y 128)进行分析。

图2：三个亚组同时编辑的SPO11-1植株是不育的

T1代96株幼苗，不论其基因型如何，均表现出正常的营养生长。有趣的是，所有具有至少一个野生型等位基因的植物都是可育的。相比之下，只携带编辑过的等位基因的植物，不管它们是在什么组合中被发现的，总是不育的，并且经常表现出扭曲的穗形。

图3：植物细胞学分析

该团队研究了SPO11-1 (以下简称为aabbdd)的纯合子的植物减数分裂和含有单一野生型等位基因的植物(Aabbdd, aaBbdd and aabbDd)。将这些植物的减数分裂进程与野生型的Cadenza进行了比较。染色体联会在三个亚组同时编辑植株中不发生(aabbdd)。

图4：三个亚组同时编辑植株(aabbdd)不能形成交叉

图5：SPO11-1和DMC1在三个亚组同时编辑植株中的定位(aabbdd)

在aabbdd植物中，SPO11-1的非活性形式及其下游重组酶DMC1可以被募集到染色体上，但DMC1位点数量减少，许多位点出现形态异常，染色体联会无法发生。这与这一行中正常DSB形成的缺陷一致。

图6：转化植物的细胞学分析

对4株不同程度恢复育性的aabbdd转基因阳性植株进行细胞学分析。

在未来的研究中，可以通过选择性靶向DSB，例如通过包含靶序列如锌指，或通过影响DSB在不同染色体区域形成的时间，从而改变CO分布，来改变DSB的分布。在这里，该团队报道了基因编辑系和功能性SPO11-1结构的发展，这是实现这些长期目标的先决条件。

文章来源：植物生物技术Pbj