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인류는 식물을 어떻게 더 개량(improvement) 할 수 있는가?

우리는 왜 식물의 감수분열(meiosis)과 교차 재조합(crossover recombination)을 연구하는가?

인류는 1만년전 식물을 재배하기 시작하며 선택(selection)과 육종(breeding)을 통해 식물을 개량해왔다. 잡종 강세와 교배 육종의 녹색혁명은 인류의 식량 안보와 보건에 기여했다. 멘델의 유전법칙, DNA의 발견 이후 최근 차세대 DNA 시퀀싱 기술(next-generation sequencing, NGS), 유전자 가위 기술(CRISPR/Cas9 genome editing), 기계 학습(machine learning) 등의 혁신적인 기술 진보는 식물 개량과 육종을 보다 가속화하고 있다. 

 

식물 교차 재조합 (meiotic crossover recombination in plants)

우리 연구실은 모델 식물 애기장대에서 감수분열 동안 재조합(meiotic recombination)의 분자적 기전을 연구한다. 식물에서 감수분열은 꽃의 암술, 수술의 meiocyte에서 일어나며 haploid인 sperm, egg cell를 만든다. 이들 반수체 세포들은 수정을 통해 다음 세대의 diploid 식물이 된다. 특히 감수분열 I에서는 상동 염색체(homologous chromosome) 사이에 교차(crossing over, crossover)가 일어나 유전적 다양성을 증가시키며 식물 육종에 중요한 역할을 한다. 교차 재조합은 많은 수의 DNA double-strand breaks (DSBs)에 의해서 시작하지만 이들 DSBs 중 약 5%만이 수선(repair)과정을 거쳐 crossover가 된다. 따라서 상동 염색체상의 교차수는 1-2개로 제한되며 3개 이상의 경우는 매우 드물다. 대부분 상동염색체상에 하나의 교차가 일어나며, 설령 두개의 교차가 발생하더라도 이들 교차는 서로 멀리 떨어져서 발생한다(교차간섭, crossover interference). 교차의 수와 빈도는 교차촉진자(pro-crossover factors), 교차억제자(anti-crossover factors) 및 epigenetic factor들에 의해서 조절된다. 따라서 식물 감수 분열 및 교차의 기초 연구를 통한 교차 수와 분포 조절은 apomixis, haploid inducer, reverse breeding과 함께 새로운 육종 기술 개발에 기여한다.  

새로운 교차 재조합 연구 방법

유전학적 스크리닝 (forward genetic screening): 교차 재조합의 분자적 기전을 밝히기 위해서 우리는 교차 빈도 증가 또는 감소하는 돌연변이들을 찾는 유전학적 스크리닝을 수행한다. 특히 형광 종자 및 형광 꽃가루 교차 리포터 시스템(seed or pollen fluorescence tagged lines, FTLs)을 활용하고 딥러닝 기반 이미지 분석을 통해 교차 빈도를 정교하고 신속하고 대량으로 분석이 가능하다. 돌연변이로는 EMS, activation-tagging 을 활용한다. 

유전체 교차 지도 작성 (genome-wide crossover map): NGS를 활용하여 96개 F2 식물체들을 동시에 시퀀싱하여 교차 위치를 정확히 탐지한다 (genotyping-by-sequencing, GBS). 

Cytology: 교차 재조합 과정은 감수분열 동안 염색체의 behavior와 직접 연관되어 있다. DSB 형성시 leptotene은 axis-loop 구조을 만들고, 이후 DSB 수선 시 zygotene의 상동염색체는 pairing이 일어나고 pachytene에서는 상동염색체간 synaptonemal complex를 통해 synapsis을 이룬다. 교차는 pachytene 말기와 diplotene, diakinesis에서 MLH1의 immunostaining을 통해 확인이 가능하다. 또한 axis element, DSB foci, ZMMs (pro-crossover factors)들 역시 immunocytology을 통해 확인한다. 

Advanced genomic approaches: SPO11-oligo sequencing, pollen-typing, mei-ChIP seq, Nuc-seq, ATAC seq, mei-INTACT, meiMIGS, meiOE, mei-dCas9-Suntag/VP64 or SRDX 등 새로운 연구법들을 활용하고 개발한다 

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Meiosis is a specialized cell division and fundamental to the sexual reproduction. Meiotic recombination increases genetic diversity. Meiotic recombination is initiated by programmed DNA double-strand breaks (DSBs) formation. The repair of DSBs leads to crossovers or non-crossovers via different DSB repair pathways. DSBs outnumber crossovers. But only a subset of these DSBs are repaired to crossovers. Anti-recombination factors restrict crossovers while interference causes even spaced crossover pattern by preventing coincidence of crossovers in the same pair of chromosomes. The DSBs and crossovers are non-uniform along chromosomes, typically occurring at narrow regions, called recombination hotspots. Plant meiotic recombination hotspots occur at gene promoters and terminators in euchromatin while heterochromatin is suppressed, indicating that chromatin structure influences recombination distribution (Choi et. al., 2013 Nature genetics, Choi et. al., 2018 Genome Research). Notably, the meiotic recombination process requires dynamic assembly and disassembly of meiotic protein complexes in time and space. 

We aim to understand mechanistically how meiotic recombination is controlled by the interplay between meiotic proteins and the higher order of chromosome structure. To achieve this, we apply advanced methods of recombination measurements at different scales from single base-pair to genome (SPO11-oligonucleotide seq (~bp), pollen typing (~10 kb), fluorescent seed and pollen reporter systems (~1-5 Mb), genotyping-by-sequencing (genome)). Two key approaches are a genome-wide mapping of SPO11-oligonucleotides to determine meiotic DSBs sites in plants, and a forward genetic screen of crossover rate mutants via high-throughput fluorescent seed-scoring and tetrad analysis in Arabidopsis. We have developed "DeepTetrad", a deep learning-based image recognition package for pollen tetrad analysis that enables high-throughput measurements of crossover frequency and interference in individual plants. In addition, we are intensively using the CRISPR/Cas9 system, which enables us to edit genome and control gene expression for studying meiotic recombination in plants. 

Importantly, our studies on meiotic recombination can help accelerate plant breeding for crop improvement by recombining or mapping useful genetic variations that occur spontaneously or by a result of mutagen in wild type plant accessions at particular areas and diverse domesticated varieties. New combinations of DNA variations contributing to crop productivity, disease resistance, fruit and grain quality can be generated by increasing crossover frequency between tightly linked alleles which had been hardly recombined along a chromosome. As soon as the useful DNA variations are identified by genetic mapping via increasing crossovers, a CRISPR/Cas9 system can be also applied to edit plant genomes of elite varieties. 

식물유전체재조합연구실소개 및 영상(클릭)_Choi lab introduction link (click)

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