2021年11月18日，国际学术期刊PNAS在线发表了生命科学学院王应祥研究组题为“Regulation of interference-sensitive crossover distribution ensures crossover assurance in Arabidopsis”的研究论文（https://www.pnas.org/content/118/47/e2107543118）。该研究发现减数分裂交换在染色体间的分布模式的分子遗传机制，同时揭示了减数分裂交换保障现象的调控机制。
真核生物通过减数分裂产生染色体数目减半的配子（精子或卵子），精卵受精结合后，染色体数目又恢复到亲本数目，维持了基因组的稳定性。不同于有丝分裂，减数分裂涉及到同源染色体间的配对、联会和重组。重组使得同源染色体间发生交换，其正确与否直接影响染色体的分离，最终导致人类流产和染色体综合征疾病，如唐氏综合征等，以及作物的不育和产量降低。除了确保同源染色体的正确分离，交换还促使同源染色体间遗传物质发生重新组合，增加了后代的遗传多样性，为自然选择过程提供了丰富的变异基础，促进了物种的进化。此外，同源染色体交换也是遗传育种的基础，育种家们利用同源染色体交换来组合优良变异培育优良品种。已有研究表明，减数分裂同源染色体间交换的数目和分布模式受到严格的调控。例如模式植物拟南芥每次减数分裂形成约10个交换，假如这10个交换在拟南芥5对同源染色体间随机分布，将会造成约10%的染色体缺乏交换，进而导致异常分离。实际上，拟南芥减数分裂同源染色体间至少能形成一个交换，否定了交换在染色体间的随机分布，这种现象被称为交换保障。交换保障现象在不同物种间高度保守，最早是科学家Darlington和Dark由1932年研究蝗虫的减数分裂染色体行为时发现的。1949年科学家Owen在研究蚊子的减数分裂过程中，正式提出了交换保障概念。虽然交换保障现象被发现至今已经将近百年，人们对于其潜在的分子调控机制仍然知之甚少。
在探索维持交换保障的分子机制的过程中，研究者首先发现拟南芥减数分裂过程，每对同源染色体至少形成一个I型交换，I型交换在染色体间并不是随机分布。而II型交换在染色体间的分布则是随机的。说明正常情形下，只需要I型交换就能维持交换保障，交换保障的缺失必然伴随着I型交换数目或者分布模式的改变。基于这种思考，同时也为了简化研究思路，研究者首先在已经发表的减数分裂相关突变体中检索I型交换数目不变，同时伴随有染色体单体产生的突变体。研究者首先锚定到了促进II型交换形成的FANCD2蛋白，fancd2突变体的减数分裂中，I型交换数目不变，但13％染色体上缺乏交换。对I型交换在染色体间的分布模式研究发现，fancd2突变体中5%同源染色体上缺乏I型交换，I型交换在染色体间的分布模式处于野生型和泊松分布的平均状态，也就是一种“半随机”状态，说明FANCD２具有促进I型交换在染色体间的正确分布维持交换保障的功能。
接着研究发者抑制II型交换数目的FANCM，FIGL1以及RMI1也具有类似于FANCD2的调控I型交换分布保正交换保障的功能，单独或同时破坏这些因子都使得I型交换的分布模式处于“半随机”状态，伴随着5％的同源染色体上缺乏I型交换（图1C）。在fancm、figl1和rmi1突变体中，虽然II型交换数目升高，但是II交换在染色体间随机分布，并不能完全保证缺乏I型交换的染色体获得交换，因此这些突变体中仍能观察到未发生交换的染色体单体。
进一步遗传分析揭示，FANCM、FIGL1、RMI1和FANCD２在调控I型交换分布，维持交换保障过程利用类似的机制。而在调控交换数目时则通过不同的途径，有意思的是FANCD2在fancm突变体背景下仍然促进II型交换形成的功能，而在figl1或rmi1突变体背景下，FANCD2则抑制II型交换的形成（图1B）。
图1：拟南芥减数分裂交换数目和频率的调控模型。
综上所述，本研究以拟南芥为研究对象，揭示了多个II型交换数目调控因子具有调控I型交换在染色体间分布，维持交换保障的功能，为保障现象的分子维持机制提供了新视角，也为操纵交换分布模式和交换频率，加速作物育种提供了理论依据。