佛罗里达大学团队解析玉米重组调控新机制《Nat Commun》

近日，佛罗里达大学的Meixia Zhao教授团队在国际顶尖期刊《Nature Communications》上发表了题为“mop1 affects maize recombination landscapes by modulating methylation of MITES near genes in open chromatin”的研究论文。

该研究揭示了玉米中一个关键的表观遗传调控因子mop1在塑造减数分裂重组图景中的核心作用。通过高分辨率的全基因组重组图谱分析，研究团队发现，mop1功能的缺失会以一种性别特异性的方式改变重组事件的发生位置，其背后的机制是通过调控一类被称为“微型反向重复转座子”（MITEs）的特殊DNA元件的甲基化水平，从而在特定的基因组位、尤其是遗传多样性高的区域“点燃”新的重组热点。百迈客生物为该研究提供了转录组测序及分析服务！

研究背景

减数分裂重组是地球上有性生殖生物多样性的基石。在细胞分裂形成配子（如花粉和卵细胞）的过程中，来自父母本的同源染色体像舞伴一样配对、交换遗传物质片段，这一过程被称为“重组交换”（Crossover, CO）。它不仅打乱并重排了基因，创造出新的遗传组合，还像“分子胶水”一样确保染色体在分裂时能被正确地分离，避免了毁灭性的遗传错误。然而，这个过程并非随机发生，而是受到一套极其精密的调控网络所控制。在玉米这样基因组庞大且复杂的作物中，重组事件往往集中在特定的“热点”区域，而广阔的基因组区域则鲜有重组发生，如同“冰封”的大陆，这极大地限制了育种家利用优异基因资源的能力。近年来，表观遗传学，尤其是DNA甲基化，被认为是调控重组的关键因素之一，但其具体机制仍充满谜团。

研究内容及结果

1、mop1改变雌雄减数重组格局

构建群体与CO定位

• 作者在B73×Mo17杂交背景下，做了4个BC1群体：雌WT、雌mop1、雄WT、雄mop1，共423个个体。
• 全基因组3×深度重测序，利用~1.9 SNP/kb的密度，HMM调用出4048个CO，其中60%的CO区间<5kb，分辨率很高。

CO 总数的性别差异（Fig.1d）

• 雌性：WT和mop1每减数平均CO数基本相同（约19条，差异不显著）。
• 雄性：mop1 CO数略低于WT（约18vs19.4，P=0.058，接近显著）。
• WT中雌雄CO数相似；但在mop1中，雄性显著低于雌性，说明mop1参与调控雌雄间的重组差异。

染色体尺度的CO分布（Fig.1c, 1e）

用Marey map画出遗传距离与重组率曲线，结果显示全基因组的重组率形状在WT与mop1间总体相似，也与雌雄之间大体相似。但放大单条染色体后，可以看到：尤其在雌mop1中，多条染色体（1,4,5,6,7,8,9）在臂区CO增加，在着丝粒周CO减少；雄mop1也在多条染色体呈现类似趋势。

结论：mop1对总CO数影响相对温和，但会在局部区域重排CO峰谷，且这种效应具性别特异性。

2、CO相关序列motif的变化

筛选“高分辨率CO”

作者只选CO区间<2 kb的1835个CO，分别来自四个群体（雌WT 484、雌mop1 417、雄WT 431、雄mop1 503），用来做motif分析。

主要发现（Fig.2）

• 前五大motif都是富C/G或富A/T的短重复序列，和之前在玉米、小麦、水稻中CO常见motif一致。
• 定量统计显示一个细节：富GC的motif（前三个）的出现频率在雄mop1中明显比雄WT低；富AT的motif（后两个）在雌mop1中的出现频率高于雌WT。

解读：mop1使雄性CO更少落在GC-rich区，而让雌性CO更偏向AT-rich（往往更开放）区域，体现出性别特异的序列/染色质偏好变化。

3、序列多态性与CO的关系

SNP密度与CO

• 在雌mop1的CO区间中，SNP密度明显高于雌WT；雄性则无显著差别。
• 把全基因组细分不同SNP密度区间，统计CO频率：

雌WT：CO 频率在~7 SNP/kb 达峰；

雌mop1：峰值移动到~13 SNP/kb；

SNP>20/kb 时CO频率接近0，呈明显“倒 U 型”，存在上限阈值。

InDel与CO

• mop1与WT之间，CO区域的InDel数量/长度无显著差别。
• CO对InDel的容忍度很低：4 InDel/kb左右达到峰值，达到12个 InDel/kb时几乎没有CO，说明InDel比SNP更干扰重组。

结论：存在一个“适中多态性”窗口，既不能太低（重组驱动力不足），也不能太高（同源配对困难）。在雌mop1中，这个SNP阈值被显著抬高（从7→13 SNP/kb），说明RdDM缺失让雌性减数更能容忍高多态背景下的CO。

4、CO与转座子，尤其MITEs的紧密关系

CO与基因/TE的位置关系（Fig.4a）：1835个高分辨率CO中，约69%位于基因体或2kb上下游，其中44.3%同时与TE重叠。

不同TE类型与CO的相关性（Fig.4b–c）：按1Mb窗口算CO数与TE覆盖度：CO与LTR/Gypsy强负相关（主要在周围冷区）。与LINE、TIR、Helitron、MITE均正相关，其中MITE的正相关最强。

MITEs与CO直接重叠的比例（Fig.4d）：随机选1835个等长区：仅1.5%与MITE重叠；而CO区中：雌WT：33.8%CO 与MITE重叠；雌mop1：升到39.3%；雄WT：31.8%；雄mop1：34.7%。 说明：CO极度偏爱MITEs，且mop1尤其在雌性中进一步加强这种偏好。

哪类MITE更“吸CO”？（Fig.4e）：在MITE子家族中，**DTA（hAT类）和DTH（Tourist/PIF-Harbinger类）**最常与CO重叠，占比明显高于其他子家族。

CO热点与冷点（Fig.5）

• CO热点：重组率≥全基因组均值5倍的5kb区间。总数在四个群体为391–525个。它们多数位于染色体两端：39.1% 在前10Mb，63.9%在前20Mb。热点2kb区内，~65%附近有MITEs，而附近是LTR的比例很低。
• CO冷点：≥1Mb无任何CO的大区间。四个群体分别有~1167–1310个，绝大多数位于着丝粒周，且在不同群体间高度保守。冷点几乎都与LTR retrotransposons重叠，与MITEs却很少重叠。

总结：MITEs≈重组热点的标志；LTR retrotransposons≈稳定冷点骨架。mop1通过调控MITEs，精细地改写了部分热点，而不改变那些“固有冷点”。

5、mop1通过MITEs上的局部去甲基化+开放染色质引入新CO

CO区DNA甲基化总体特征（Fig.6a）

• 与随机区相比，CO附近的CG/CHG甲基化大幅降低（CG: 23.8%vs78.3%；CHG: 12.4%vs60.4%），说明CO天然偏向低甲基化区域。
• CG/CHG：mop1和WT在CO区没有显著差异。
• CHH：WT中CO区CHH与随机区相当，而在mop1中显著降低。也就是mop1主要在CO区进一步清空CHH甲基化。

DMR与CO的重叠情况（Fig.6b–c）

在雄mop1与WT花药甲基化数据中，作者找到3189个CG DMR、4800个CHG DMR、13864个CHH DMR，其中大多数是低甲基化（hypo）。这些成千上万DMR中，与CO±2kb重叠的不到1%，其中CG：9/2749；CHG：30/4110；CHH：101/12061。且这些与CO重叠的DMR，绝大部分都位于 基因2kb上下游区域。

这些DMR上到底是哪些TE？（Fig.6d）在“DMR+CO”双重重叠的TE中，MITEs占比最高，明显高于仅有DMR或无DMR/CO的TE。这说明：mop1引起的CO变化主要集中在MITEs，尤其是靠近基因的MITEs上。

MITEs上的甲基化&组蛋白标记分组分析（Fig.6e–f）

• 按是否与DMR/CO重叠，把MITEs分4类：既有DMR又有CO；有DMR无CO；无DMR有CO；都没有。
• 结果：在mop1中，类别1的MITEs CHG/CHH甲基化降低最明显；同时，类别1上H2A.Z、H3K27ac、H3K56ac、H3K9ac活性标记最高；完全没有DMR/CO的MITEs这些标记最低。即：“真正变成CO热点”的MITEs=低甲基化+高H2A.Z+高 H3乙酰化+位于基因附近。

49kb典型区域的可视化例子（Fig.6g）

• 染色体9上49 kb区间中有两个CHH低甲基化DMR：
• 红框：一个DMR 同时有 MITE+CO，且H2A.Z、H3 acetylation高，H3K27me3低，mop1中还伴随CG/CHG降低；
• 蓝框：另一个DMR也有MITE，却没有CO，CG/CHG一直高，且H3K27me3高、H3Ac低。
• 这对比说明：单靠CHH降低不够，还要配合整体开放染色质（低CG/CHG+高H2A.Z/H3Ac+低H3K27me3），MITEs才会真实变成CO热点。

6、基因表达和CO干涉：ASY4下调，但干涉基本不变

RNA-seq：减数基因表达变化

• 在幼花药中，mop1vsWT 共有186个上调、199个下调DEG。
• 若只看41个减数相关基因：只有轴蛋白ASY4显著下调；ZYP1、ZIP4接近显著下调。
• 这些基因负责轴/联会复合体结构和CO干涉，Arabidopsis中它们缺失会让CO向染色体臂端偏移。

DEG与DMR、CO的关系

只有极少部分DEG附近有 DMR，且没有任何CO与这些DEG的DMR 重叠，说明 MITEs去甲基化带来的新CO不必然改变附近基因的转录。

CO干涉分析

作者用crossover coefficient（CoC）分析干涉强度，发现：mop1雌雄的干涉与WT基本无显著差异，只是雌mop1干涉略有减弱趋势。因此，CO干涉变化不是驱动CO重排的主要原因。

解释：mop1的主要作用，是通过局部改变MITEs的表观状态+略微削弱轴/SC 组件来调整CO的位置，而不是大幅改变CO总数或经典的干涉模型。

研究总结

在机制层面，mop1通过RdDM通路主要清除基因附近MITEs的CHH（并部分 CG/CHG）甲基化，在本就偏开放的MITE区促进H2A.Z和H3 acetylation富集，从而让这些TE成为新的CO热点。性别差异：这一作用在雌性中更强——雌mop1 不仅保留CO总数，还把CO推向高SNP、MITE富集的开放区域，提高了对序列多态性的容忍度。结构蛋白贡献：mop1还伴随轴蛋白ASY4下调，可能进一步改变CO在染色体上的分布，而对CO干涉整体影响不大。

在应用前景方面，提示可以通过精细调控MITEs附近的甲基化/表观状态，而不是粗暴打掉全基因组甲基化，来在作物中局部提升重组率；有望用于玉米及其他TE-rich作物中打破连锁拖带、提高育种重组效率、利用“中度多态区域”的隐藏遗传变异。

 

 

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