在有性生殖生物中,遗传物质重组主要依赖减数分裂过程中来自父母双方非同源染色体间的随机组合,以及同源染色体非姊妹染色单体的交换。深入研究减数分裂过程控制的分子机制,为进一步研究如何提高育种过程中的重组频率提供基础,也为水稻遗传改良的重要源泉。对于全面了解基因组遗传物质重组机制有着十分重要的作用。同源染色体重组是减数分裂过程中非常复杂,但又十分关键的生物学过程,它起始于由SPO11介导的DNA双链断裂(double-strand breaks,DSBs)。DSB修复途径中的同源重组,既保证了染色体在减数分裂中的准确分离,又增加了杂种后代的遗传多样性。ATM蛋白是人类中最早鉴定出的参与体细胞DNA损伤修复的蛋白,然而在哺乳动物中,由于ATM基因突变导致性母细胞在减数分裂过程中的停滞和凋亡,使得其在减数分裂过程中的生物学功能仍不明确。本研究利用本课题组在前期工作中获得的3个Osatm等位突变体,借助染色体荧光原位杂交、免疫荧光染色反应、酵母双杂交等现代分子生物学技术,对Osatm、Osatm Osspo11-1、Osatm Osdmc1等减数分裂相关单突变体和双突变体进行了深入研究,解析了 OsATM参与水稻减数分裂过程中的DSB修复机制。主要研究结果如下:1.Osatm-1花粉母细胞能够完成正常的同源染色体配对和联会,与野生型相比,Osatm-1在粗线期之前的染色体行为未表现明显异常。但在终变期,染色体相互缠绕形成多价体。这些异常的染色体黏连在中期Ⅰ变得更加明显。在后期Ⅰ,出现大量的染色体桥和碎片。在后期Ⅱ和四分体中也出现染色体桥和碎片,并最终在分开的小孢子中形成微核。Osatm-2和Osatm-3的染色体行为与Osatm-1相似,均存在异常染色体黏连和碎片。2.为了明确Osatm在减数分裂DSB修复过程中染色体异常的原因,构建了Osspo11-1和Osatm-1双突变体,并进行遗传分析。OsSPO11-1介导减数分裂DNA双链断裂,由于减数分裂DSB的缺失,Osspo11-1的同源染色体不能配对。Osspo11-1 Osatm-1双突变体与Osspo11-1具有相似的染色体表型,未见异常的染色体黏连和碎片,这表明OsATM的功能位于OsSPO1 1-1催化DNA双链断裂形成的下游。3.在水稻减数分裂中,OsDMC1 在 HR(homologousrecombination)介导的 DSB修复过程中起着十分重要的作用,OsDMC1的功能缺失导致染色体在粗线期呈现典型的非联会表型。当OsDMC1和OsATM基因均发生突变时,观察到Osdmc1 Osatm-1双突变体比单个突变体有更严重的染色体缠绕和碎片的表型。在粗线期,Osdmc1 Osatm-1表现为联会缺陷,与Osdmc1表型相似。然而,在Osdmc1 Osatm-1突变体中,中期Ⅰ和后期Ⅰ的染色体缠绕和碎片均较Osatm-1严重,说明OsDMC1和OsATM在DSB修复的两个相对独立途径中发挥作用。4.γ-H2AX抗体免疫荧光染色反应结果显示,Osatm-1的花粉母细胞在偶线期能够观察到大量的γ-H2AX信号,数量与野生型无显著差异。这一结果表明,在水稻减数分裂过程中,H2AX的磷酸化不依赖于OsATM,这与体细胞有丝分裂的情况不同。5.此外,OsDMC1在HR介导的DSB修复中起着重要的作用,Osatm花粉母细胞中染色体上OsDMC1的去除被延迟。HEI10属于ZMM(ZIP、MSH、MER)蛋白,能够标记干扰敏感型CO(Crossover),而HEI10的数量减少。因此,OsATM的缺失会延迟DSB的修复过程,且减少部分干涉敏感型CO的数量。综上所述,OsATM在水稻减数分裂DSBs修复过程中起着十分重要的作用。相关结果对于解析植物减数分裂的分子调控机制,提高育种过程中的重组频率具有重要的指导意义。