在真核生物中，減數(shù)分裂期間的交叉重組（crossover, CO）是同源染色體間遺傳物質(zhì)交換的核心機制，既保障染色體準(zhǔn)確分離，又促進種群遺傳多樣性。然而，盡管減數(shù)分裂產(chǎn)生大量DNA雙鏈斷裂作為重組前體，最終形成的CO數(shù)量卻受到嚴(yán)格限制，通常每條染色體僅1–3個，且多集中于染色體遠(yuǎn)端。此外，CO頻率和分布常呈現(xiàn)顯著的性別差異，其機制尚不明確。該限制使大片段基因組區(qū)域難以重組，阻礙了優(yōu)良等位基因組合與連鎖打破，是精準(zhǔn)育種的主要瓶頸之一。

近日，德國馬普植物育種研究所與華南農(nóng)業(yè)大學(xué)聯(lián)合研究團隊在Nature Communications發(fā)表研究論文，題為Maximizing meiotic crossover rates reveals the map of Crossover Potential。研究通過遺傳干預(yù)顯著提升重組頻率達12倍，并首次提出“重組潛力”（Crossover Potential, COP）概念，系統(tǒng)繪制了其全基因組分布圖譜，為進一步理解重組頻率和分布多態(tài)性、性別異質(zhì)性及作物遺傳育種策略提供了重要理論依據(jù)。

研究通過同時突變ZYP1（調(diào)控I類CO）與RECQ4（抑制II類CO），顯著提升CO頻率：雌性配子提升約12倍（最高27倍）、雄性提升約4.5倍（最高10倍），創(chuàng)目前已知最高紀(jì)錄。即使進一步引入其他重組促進因子，CO總數(shù)也不再增加，提示存在由重組前體限制的“生物學(xué)上限”。深入分析表明，I類和II類CO通路共享一組有限的重組中間體，通路間存在競爭，難以疊加提升總量，形成上限。盡管重組大幅增強，突變植株仍具75%育性，未見明顯染色體異常，說明高重組水平在生理上可被耐受。

ZYP1和RECQ4雙突變極大提升CO頻率并揭示重組上限

在多個高重組背景下，研究人員整合約5萬個重組事件發(fā)現(xiàn)，雌雄CO分布幾乎完全一致，均富集于染色體臂遠(yuǎn)端，打破了野生型中存在的性別差異。基于此，研究提出“重組潛力”（Crossover Potential, COP）概念，指在解除調(diào)控后，基因組區(qū)域形成CO的內(nèi)在能力，獨立于性別及調(diào)控因子。進一步分析顯示，COP分布與染色質(zhì)開放性、活躍組蛋白修飾等特征呈正相關(guān)，與DNA甲基化、異染色質(zhì)等負(fù)相關(guān)。基于7個關(guān)鍵表觀組和序列特征構(gòu)建的機器學(xué)習(xí)模型可解釋93%的COP變異，表明其具有高度可預(yù)測性，且主要由染色體局部序列組成及染色質(zhì)狀態(tài)決定，為重組精準(zhǔn)調(diào)控與預(yù)測建模提供了理論與方法基礎(chǔ)

重組潛力圖譜及其與基因組和染色質(zhì)狀態(tài)特征的關(guān)聯(lián)性與預(yù)測分析

德國馬普植物育種研究所的景居里博士和華農(nóng)連啟超教授為共同第一作者，Raphael Mercier教授為通訊作者，研究助理Stephanie Durand為該研究做出了重要貢獻。該項目得到了德國馬普學(xué)會和德國洪堡基金會的資助。

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https://doi.org/10.1038/s41467-025-60663-y

文圖/生命科學(xué)學(xué)院