多倍化是植物和动物物种形成和进化变化的主要驱动力。未减数配子的产生被认为是多倍体形成的主要途径。然而，关于未减数配子产生的确切分子机制，特别是那些源于精原细胞/卵原细胞有丝分裂缺陷的机制，仍然知之甚少。华中农业大学水产学院九三学社副主委高坚教授和曹小娟教授团队联合日本北海道大学Takafumi Fujimoto教授团队在Molecular Biology and Evolution杂志上发表了题为“Polyploid formation through disrupting mitotic sister chromatid separation of spermatogonia based on espl1 heterozygous knockout in fish”的研究论文。发现espl1基因杂合突变损害了部分精原细胞的有丝分裂姐妹染色单体分离，从而引起未减数精子的产生，基于此获得了三倍体和四倍体后代。该研究为精原细胞/卵原细胞有丝分裂缺陷导致未减数配子产生的机制解析提供了重要参考。同时，该成果为水产养殖导向的多倍体育种提供了新的技术和新的育种策略。

该研究通过CRISPR/Cas9技术在二倍体泥鳅中生成了espl1基因杂合突变系。发现与WT的单倍体精子相比， espl1+/-雄性可以产生少量二倍体精子，进而产生大约10%的三倍体。二价体分析显示，espl1+/-雄性中没有单价体或错误配对的染色体，而是由25个或50个正确形成的二价体组成，从而证实espl1+/-雄性泥鳅染色体加倍应发生于减数分裂之前。进一步的精原细胞倍性检测证实了espl1+/-泥鳅部分精原细胞在减数分裂前发生了染色体加倍（图1）。该研究证实了espl1杂合突变足以引起泥鳅精原细胞有丝分裂姐妹染色单体分离异常，使染色体数目加倍，从而导致未减数精子的形成。

图1 Observation on meiosis of spermatocytes and mitosis of spermatogonia in espl1+/- loach.

进一步实验表明，雄性espl1+/+/-泥鳅精子中存在单倍体、1.5n非整倍体以及大量的三倍体精子，利用其繁殖获得了一定比例的四倍体后代。再次利用espl1+/+/+/-雌性与WT雄性杂交后代的受精率和存活率超过80%。倍性分析和染色体数计数显示，espl1+/+/+/-雌性与WT雄性的所有后代均为三倍体（图2）。进一步的进化保守性分析和斑马鱼espl1突变体构建证实espl1基因在鲤形目中具有巨大的多倍体创造潜力。

图2 Formation of different polyploids in fish based on espl1 heterozygous knockout.

多倍体通常在鱼类中表现出重要商业性状优势，如生长快、抗病力强，因此其诱导和应用在水产养殖中引起了极大的关注。从基础生物学和水产养殖应用的角度，已在许多鱼类物种中通过温度和静水压力抑制减数分裂（释放第二极体）或有丝分裂（早期卵裂）来操作倍性。尽管多倍化的实用技术已成功开发和应用，但大量四倍体的生产仍然是一个难题。四倍体鱼是提供二倍体配子的遗传资源，仅通过与单倍体配子的正常受精即可轻松产生100%的全三倍体后代。在此，作者成功在F1代二倍体雄性（espl1+/-）中获得二倍体精子，在F2代三倍体雄性（espl1+/+/-）中获得三倍体精子，在F3代四倍体雌性（espl1+/+/+/-）中获得二倍体卵子。因此，该研究团队提出利用基因突变体产生未减数配子，进而创制鱼类多倍体的育种新策略。

华中农业大学水产学院博士生张运邦为该论文的第一作者，曹小娟教授和Katsutoshi Arai教授为该论文通讯作者。华中农业大学水产学院高坚教授和日本北海道大学Takafumi Fujimoto教授参与并指导了该研究。该论文得到国家自然科学基金和湖北省重点研发计划的资助。

原文链接：https://academic.oup.com/mbe/article-abstract/doi/10.1093/molbev/msaf195/8223083?utm_source=etoc&utm_campaign=mbe&utm_medium=email