近日，华中农业大学油菜遗传改良创新团队杨超教授课题组在Advanced Science上发表了题为：ZSL orchestrates synaptonemal complex assembly as a central region scaffold to ensure synapsis fidelity and crossover control in polyploid meiosis的研究论文，该研究在异源四倍体甘蓝型油菜中鉴定到一个全新的联会复合体 (Synaptonemal Complex, SC) 中央元件组分——ZSL (ZYP1-SCEP1/2 Linker)，揭示了其通过连接横向纤维蛋白ZYP1与中央元件蛋白SCEP1/2来促进联会复合体组装的分子机制，阐明了其在甘蓝型油菜减数分裂中调控交叉重组频率和分布的关键作用，为染色体重组操纵技术在多倍体作物育种实践中的应用提供了基因资源和理论支撑。减数分裂是有性生殖的基础。同源染色体配对、联会和重组是该过程的核心事件，对维持基因组稳定性和遗传多样性至关重要，是作物育中打破连锁和聚合优异性状的遗传基础。联会复合体组装确保了同源染色体的准确互作和精确分离，是调控多倍体植物减数分裂稳定的关键结构。目前，植物中已经鉴定出三个SC中央区域重要组分，包括横丝蛋白ZYP1和中央元件蛋白SCEP1/2。然而，联会复合体的其它组分尚待进一步挖掘，其组装机制也不清楚。该研究首先通过对甘蓝型油菜八个不同时期发育时期的花药进行转录组分析，鉴定出在减数分裂早期（细线期到粗线期）高表达的基因（High Expression in Meiosis，HEIM）（图1）。选择了13个未知功能的HEIM基因并通过基因编辑技术创建了突变体。其中，heim3纯合突变体育性显著降低，进一步对减数分裂产物四分体分析表明HEIM3在减数分裂中起重要作用 (图2) 。根据后续功能和机制研究，作者将HEIM3重命名为ZSL (ZYP1-SCEP1/2 Linker)。图1. 甘蓝型油菜不同发育时期花药的转录组分析
图2. 甘蓝型油菜zsl突变导致育性降低和减数分裂缺陷
进一步作者利用染色体展片和免疫荧光等手段分析了zsl突变体雄性减数分裂中的染色体行为，发现在ZSL缺失对染色体配影响不大，多数染色体区域可以配对并置，仅部分区域有未配对的单条染色体，但配对染色体之间存在大的间隙，并发现多条部分同源染色体染色体配对并行的现象，导致较严重的染色体粘连和碎片化，影响正常配子的产生（图3）。这与本课题组前期发现的油菜联会复合体横丝蛋白ZYP1缺失表型类似（Zhang et al, 2025）。免疫荧光观察显示，ZYP1蛋白可以正常定位到配对的染色体上，但其线性组装完全失败，证明ZSL缺失导致联会复合体组装被破坏 (图3) 。图3. 甘蓝型油菜野生型 (Westar) 和zsl突变体减数分裂染色体行为分析
为研究ZSL发挥功能的分子机制，作者制备了ZSL特异性抗体，研究了其在雄性性母细胞中的定位。联合免疫荧光和超分辨率成像，发现ZSL位于横丝蛋白ZYP1-C端信号中间，与ZYP1-N端（位于SC中心）信号共定位，并与中央元件蛋白SCEP1/2共定位，证明ZSL定位在联会复合体的中央，是其中央元件新组分 (图4) 。图4. ZSL定位在联会复合体中央
作者进一步研究了ZSL, ZYP1和SCEP1/2等不同SC组分在定位上的相互依赖（图5）。在zsl突变体中，ZYP1虽然无法组装成连续的线性结构，但是在配对的染色体上呈现弥散状信号，表明ZYP1在染色体山的招募集在很大程度上不受ZSL影响。在scep1突变体中，虽然ZYP1的线性组装存在严重缺陷，但其同样在染色体上呈现弥散状信号。这些结果表明中央元件组分不影响ZYP1招募，但对其线性组装至关重要。然而，在zyp1突变体中，ZSL、SCEP1和SCEP2完全无法在染色体上定位，表明横丝蛋白ZYP 1是中央元件组分加载所必需的。作者还观察到在scep1突变体中，ZSL仅形成短片段信号，并与ZYP1共定位，表明SCEP1影响ZSL正常线性组装；在zsl突变体中，作者没有检测到任何SCEP1和SCEP2信号，表明SCEP1/2的装载和组装严格依赖于ZSL (图5) 。图5. ZSL、ZYP1和SCEP1/2之间定位的相互依赖
为理解ZSL、ZYP1和SCEP1/2如何组装成正常的联会复合体中央区域，通过酵母双杂交和Split GAL4 RUBY实验证实，ZSL通过其C端的α螺旋结构域 (601-811aa)，同时直接与ZYP1的N端 (1-300aa) 和SCEP1/2异源二聚体相互作用，而ZYP1与SCEP1/2之间则无相互作用（图6）。这表明ZSL可能连接ZYP1和SCEP1/2来促进联会复合体中央区域组装。利用Split GAL4 RUBY系统，发现ZSL可以介导 ZYP1-ZSL-SCEP1/2复合物的形成 (图6) 。这些结果证明ZSL在联会复合体中央区域组装中发挥桥梁作用。图6. ZSL与ZYP1和SCEP 1/2互作
作者进一步分析了ZSL缺失对雌雄性母细胞减数分裂中染色体交叉重组的影响（图7）。联合细胞学检测（HEI10免疫荧光焦点）和基于重测序的全基因组水平交叉分析，发现ZSL缺失未明显影响交叉在染色体上的总体分布区域，但交叉数目显著提高1倍。重要的是，在zsl突变体中，相邻交叉之间的干扰完全消失，相邻交叉可以随机分布，说明ZSL缺失消除了交叉干涉，进一步证明了联会复合体在控制交叉干涉和重组频率中的关键作用。
图7. zsl突变体中交叉重组频率和分布分析
综上，本研究挖掘到异源四倍体甘蓝型油菜中联会复合体中央元件新组分ZSL，揭示了其在介导联会复合体组装（图8）、调控交叉重组频率和维持多倍体减数分裂稳定中的功能和作用机制。联会复合体作为控制交叉重组频率的关键结构，本研究为多倍体作物育种中开展重组操纵来助力新种质，提高育种效率提供基因资源和理论支撑。图8. 甘蓝型油菜中ZSL促进联会复合体组装的模式图
华中农业大学植物科学技术学院博士研究生耿苗维为论文的第一作者，华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室和国家油菜工程技术研究中心杨超教授为论文的通讯作者。华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室和国家油菜工程技术研究中心赵虎研究员对该工作给予了重要指导。该研究得到国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目资助。论文链接:
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202521496
据悉，杨超课题组长期从事植物减数分裂调控和染色体重组操纵技术开发，近五年在Science Advances、Nature Plants、Advanced Science、Plant Cell、Nucleic Acids Research等发表多篇研究论文。课题组主要以甘蓝型油菜为模式，致力于理解植物减数分裂中染色体互作的规律和调控，揭示多倍体减数分裂稳定适应的演化机制，构建多倍体作物无融合生殖体系，开发染色体重组调节技术，推动重组操纵作为育种底盘技术应用于作物种质创新和品种培育。
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