自20世纪末以来，S.Ohno提出脊椎动物在进化过程中经历了两轮古老的多倍体化事件，后续很多研究从基因组水平支持了这一论点。然而，脊柱动物多倍体化的分子机制尚不清楚。
2024年2月29日，湖南师范大学刘少军院士团队联合西南大学、中科院水生所有关人员在Molecular Biology and evolution杂志上发表了题为“Formation of different polyploids through disrupting meiotic crossover frequencies based on cntd1 knockout in zebrafish”的文章。研究人员通过单个基因敲除，揭示了减数分裂过程中交叉形成缺陷可以影响同源染色体的分配，导致不减数卵子和多倍体子代的形成。该研究揭示了减数分裂交叉形成缺陷在脊椎动物多倍体形成过程的意义。这是一个将进化生物学与鱼类繁殖生物学相结合的交叉性研究，鱼类繁殖生物学研究是遗传育种的基础，该研究在鱼类生殖细胞发育和遗传育种方面具有重要意义。
多倍体是物种分化和进化过程的重要催化剂，而多倍体的形成机制（尤其是在脊椎动物中）尚不清楚，该研究旨在利用斑马鱼模型阐明这一现象。减数分裂交叉的形成是保障同源染色体精准分离的关键，研究人员通过利用 CRISPR/Cas9 技术敲除cntd1基因，构建了减数分裂交叉形成障碍的斑马鱼模型。这一减数分裂缺陷导致斑马鱼中大量精母细胞滞留在减数分裂中期，进而诱发凋亡。但纯合突变体（cntd1-/-）雄性仍能产生少量倍性和功能正常的精子。有趣的是，在纯合突变的雌鱼中，卵巢发育和卵子的形成并未受到影响，但卵子的倍性发生了改变。结合流式和染色体实验证实纯合突变的雌鱼可以产生单倍性、非整倍性和不减数卵子。这使得能够从二倍体纯合突变（cntd1-/-）和三倍体纯合突变（cntd1-/-/-）雌性斑马鱼中分别获得三倍体和四倍体斑马鱼。进而，通过四倍体杂合突变斑马鱼与二倍体/四倍体斑马鱼交配可以获得三倍体/四倍体子代群体。总之，我们的研究结果有力地证明了减数分裂交叉缺陷在多倍体化过程中的关键作用，基于减数分裂交叉缺陷产生不减数卵子可能是自然界中鱼类及脊椎动物形成多倍体的原因之一。
湖南师范大学淡水鱼类发育生物学国家重点实验室研究生欧媛为该论文的第一作者，舒玉琴博士（讲师）和刘少军院士为该论文通讯作者。该论文得到国家自然科学基金、高等学校学科创新引智计划、湖南省自然科学基金的资助。
左图：通过cntd1敲除构建四倍体品系及制备三倍体群体
右图：自然界中同源多倍体形成的潜在途径
原文链接：https://ldbff.hunnu.edu.cn/info/1022/5758.htm
文章链接：https://doi.org/10.1093/molbev/msae047
