减数分裂重组起始于程序化的DNA双链断裂(double-strand breaks,DSB)形成,它主要由拓扑异构酶SPO11、MTOPVIB和其他一些蛋白共同调节,然后经过不同修复过程,DSB最终被修复形成重组(crossovers,CO)或者是非重组(non-crossovers,NCO)。在大多数被研究的物种中,重组数远远少于DSB数量。例如,在拟南芥中,大约有250个DSB位点,而仅仅发生10次重组,其中85%的CO是属于干涉敏感性重组(class Ⅰ),余下15%属于干涉不敏感性重组(class Ⅱ)。到目前为止,在不同物种中的研究结果证实,有三种机制(重组确保机制CO assurance;重组干扰机制CO interference;重组体内平衡机制CO homeostasis)能够调控重组的数量和分布。其中重组体内平衡机制只在酵母和小鼠中得到证实。在本研究中,我们利用多种分子生物学手段,初步探讨重组体内平衡机制在植物中是否存在;以及在不同植物中的作用效率是否有差异;植物中是否还存在其它的重组调控机制。对这三个问题的探讨和研究构成了本研究的主要内容。主要研究结果如下:1.通过转基因方法构建了一系列SPO11-1的亚效等位基因突变体(hypomorphic allele)。相对于野生型来说,不同转基因株系花粉育性呈现20%到100%改变。在育性降低的株系中,DSB数量与花粉育性成一定正相关性,也与SPO11-1的表达量呈正比例。2.我们挑选了其中一个株系,命名为spo11-1-w2。在该株系中,花粉育性略微降低,DSB数量减少33%,但染色体行为与野生型株系一致,联会复合体形成也未发现异常。3.在spo11-1-w2株系中,染色体重组数量降低13%,其中Ⅰ型重组(MLH1位点)降低14.9%,证明了 DSB数量降低主要影响Ⅰ型重组的发生。4.通过对BC1群体全基因组的重组数统计分析发现,相对于野生型株系来说,spo11-1-w2株系CO数量减少约8.5%。不同的染色体CO数减少的程度不一样,1号染色体减少11.4%,二号染色体减少2.3%,四号染色体减少7%,5号染色体减少11.6%。CO减少的程度可能与染色体长度相关。由于33%左右DSB的降低只带来8.5%左右重组率的降低,因此本研究认为重组体内平衡机制拟南芥减数分裂重组过程存在。5.更为有趣的是,本研究发现BC1群体中CO分布发生了巨大的变化,着丝粒和近着丝粒区域CO数减少,而染色体臂上CO数增加。这个结果初步证实了 DSB数量可以影响CO分布,暗示了 CO形成中的一种新的调控机制。6.玉米PRD3基因有两个拷贝(ZmPRD3a和ZmPRD3b,氨基酸序列相似性达到77%。其中,ZmPRD3a的缺失突变引起DSB数量的剧烈下降,而ZmPRD3b的功能缺失并没有导致减数分裂异常表明:ZmPRD3a基因在减数分裂过程中起到主要作用。同时,我们观察到在zmprd3a突变体中,DSB降低了 95%,但CO只降低了 50%,说明重组体内平衡机制在玉米减数分裂过程中也起着重要作用。7.另外,作为我博士课题研究的一个子课题,我们证明了组蛋白的不同修饰模式与芥子油苷合成途径的甲硫氨酸长链形成过程由亮氨酸合成途径进化而来相关。亮氨酸合成途径中的基因存在高度的H3K4me2和H3K4me3修饰;而甲硫氨酸长链合成途径中的基因并没有H3K4me3修饰,且H3K4me3修饰的丢失对基因转录水平没有影响。