在真核生物中，减数分裂期间的交叉重组（crossover, CO）是同源染色体间遗传物质交换的核心机制，对于保障配子染色体分离的准确性及种群遗传多样性具有决定性作用。然而，尽管减数分裂中产生了大量DNA双链断裂（DSBs）作为重组前体，最终形成的CO事件却受到严格限制，每条染色体通常仅产生1–3个CO，且其空间分布高度不均，主要集中于染色体远端。此外，CO频率和分布在雌雄个体之间常呈显著差异（即性别异质性），其分子机制尚未明确。在作物遗传改良中，由于CO数量和分布的限制，大片段基因组区域难以实现有效重组，成为精准育种中优良等位基因组合和打破不良连锁的重要瓶颈。
近日，德国马普植物育种研究所与华南农业大学联合研究团队在Nature Communications上发表了题为Maximizing meiotic crossover rates reveals the map of Crossover Potential的研究论文。该研究通过遗传干预成功将重组频率提升了高达12倍，并首次提出“重组潜力”（Crossover Potential, COP）概念，系统绘制了其在全基因组尺度的分布图谱，为进一步理解重组频率和分布多态性、性别异质性及作物遗传育种策略提供了重要理论依据。
ZYP1 与 RECQ4 的双突变极大提升重组频率，揭示频率“上限”
本研究发现，拟南芥中同时突变ZYP1（减数分裂联会复合体横向丝蛋白，调控I类CO）与RECQ4（抑制II类CO的解旋酶）可显著提升CO数量：雌性配子中的CO数平均增加约12倍（最高约27倍），雄性增加约4.5倍（最高约为10倍），创下目前已知最高重组频率记录。值得注意的是，即使在此超高重组背景下进一步引入HEI10过表达或FIGL1突变等促进I类或II类CO形成的因子，CO总数也不再上升，提示重组频率存在由资源限制决定的“生物学上限”（图1）。
图1. ZYP1和RECQ4双突变极大提升CO频率并揭示重组上限
深入分析表明，I类和II类CO通路对重组中间体存在竞争关系。HEI10过表达可增强I类CO的生成，但会同时抑制II类CO，反之亦然（图2）。这一“中间体竞争模型”认为，I类和II类CO通路共享一组有限的前体资源（由DNA双链断裂形成的重组中间体），其总量构成限制CO总数的主要瓶颈。这一机制解释了为何增强单一路径虽可提高对应CO类型，但两个通路不能简单叠加，从而形成了CO数量的上限边界。值得注意的是，尽管CO数量显著增加，突变植株仍表现出约75%的正常育性，未观察到染色体非整倍体或明显的减数分裂异常，说明在生理层面植物能够耐受极高的重组水平。
图2. 不同基因型中I型CO数目及其与CO总数的关系
构建“重组潜力”图谱：CO分布趋同，性别差异消失
在多个高重组频率突变体中，研究人员整合约5万个重组事件，发现尽管重组频率显著提升，CO在染色体尺度上的分布模式仍然保持高度一致，主要富集于染色体远端区域，而近着丝粒区域则保持为重组“冷区”。更为关键的是，在这些高重组背景下，雌雄个体之间CO的分布图谱几乎完全重合，显著区别于野生型中呈现性别特异性差异的CO分布模式（图3）。
图3. 高重组突变体中CO分布图谱呈现高度一致性
基于这一发现，研究团队提出了“重组潜力”（Crossover Potential, COP）概念，用以描述在去除调控限制条件下，基因组不同区域形成CO的潜在能力，独立于性别及特异调控因子。在高重组背景下，因调控限制被解除，COP得以全面释放，从而揭示了一个共同、性别无关的重组图谱（图4）。COP的提出为理解染色体重组图谱的形成机制提供了新的解释视角。
图4.重组潜力图谱及其与基因组和染色质状态特征的关联性与预测分析
重组潜力由基因组序列多态性和染色质状态共同决定，可被高精度预测
通过对COP进行深入特征分析发现，其在基因组中的分布模式与多个基因组和表观遗传特征密切相关：COP与染色质开放性、活跃组蛋白修饰（如H3K4me3）、基因表达密度呈强正相关，而与DNA甲基化、异染色质标记（如H3K9me2）、转座子密度等负相关。进一步地，研究团队构建了基于机器学习的预测模型，使用17个基因组和表观组特征，成功解释了COP分布中94%的变异。其中，仅前7个关键特征即可准确预测约93%的COP分布，表现出较高的预测精度（图4）。这一结果表明，COP图谱主要由染色体局部序列组成及染色质状态的决定，而非完全依赖特定的重组调控通路活性。这不仅为通过基因组和表观遗传干预手段精准调控CO分布提供了理论支持，也为建立基于多组学特征的数据驱动型CO预测模型奠定了重要方法基础。
德国马普植物育种研究所的景居里博士和连启超博士（现为华南农业大学教授）为共同第一作者，Raphael Mercier教授为通讯作者，研究助理Stephanie Durand为该研究做出了重要贡献。该项目得到了德国马普学会和德国洪堡基金会的资助。
文/图 生命科学学院 连启超
