Identification and functional characterization of the meiotic cyclins SOLO DANCERS 1 (SDS1) and SOLO DANCERS 2 (SDS2) in Zea mays L.

Abstract

In plants, aberrations in meiosis can lead to aneuploid pollen, a decline in fertility, and low yield. Therefore, understanding the mechanisms and regulation of meiosis is critical to plant breeding programs and, by extension, to meeting food needs. Yet, little is known about the control of meiosis in maize.

In the first part of this work, the cyclin SOLO DANCERS (SDS) was characterized in maize. From previous studies in Arabidopsis, it is known that SDS is required by the DNA MEIOTIC RECOMBINASE 1 (DMC1) to mediate double-strand break (DSB) repair. In contrast to Arabidopsis thaliana, SDS in rice has a significant function in DSB formation: mutation of the OsSDS gene results in failure to recruit recombination proteins, a complete absence of DSBs, and failure to install the synaptonemal complex (SC).

In my work, I have now shown that Zea mays contains two putative SDS homologs, ZmSDS1 and ZmSDS2. To study their function, a double mutant was generated in the inbred line A188 using the CRISPR/Cas9 system (Clustered regularly interspaced palindromic repeats). This double mutant was both male and female sterile. Analysis of chromosomes during meiosis showed a lower frequency of synapsis and a low number of bivalent chromosomes. An SDS1-RFP reporter construct in the sds double mutant was used to demonstrate the localization of SDS1 in the nuclei of meiocytes in early prophase I. Here, several strong punctate fluorescence signals were observed, indicating localization on chromosomes. Immunolocalization experiments performed in the sds double mutant using a RADIATION SENSITIVE 51 (RAD51) antibody showed a significant reduction in the number of RAD51 signals compared with wild type (WT), indicating a decrease in DSBs.

In addition, ENHANCER OF CELL INVASION NO.10 (HEI10) protein is also reduced in the double mutant, also indicating defects in the class I meiotic recombination pathway. However, a direct interaction of SDS1 with HEI10 was not detected. The totality of the data suggests that SDS organizes chromosome formation during meiosis and acts as a local factor for CO formation in maize.

In the second part of the work, the role of SDS introns in the meiosis-specific expression of ZmSDS1 in Arabidopsis was to be investigated. In initial experiments, it was found that an intronless ZmSDS1 cDNA gene driven by the AtSDS promoter is unable to complement the mutant. In contrast, the same construct with the genomic open reading frame (ORF) of AtSDS does. To investigate this, a series of AtSDS and ZmSDS1 reporter constructs were generated to complement sds mutants in Arabidopsis thaliana. Phenotypic characterization of the sds mutant plants with the different constructs was performed, including examination of male anthers with meiocytes by confocal laser microscopy. My results showed that the Arabidopsis SDS introns are not required for meiosis-specific expression. Moreover, the genomic ZmSDS1 gene could not be expressed under the control of the AtSDS promoter in A. thaliana, although a version in which the second intron was exchanged could partially complement the phenotype of the Atsds mutant. Taking it all together, the ZmSDS1 introns are not necessary to drive the meiotic-specific expression. I also prove that ZmSDS1 is the AtSDS homolog.

Bei Pflanzen können Aberrationen in der Meiose zu aneuploiden Pollen, einem Rückgang der Fruchtbarkeit und geringem Ertrag führen. Daher ist das Verständnis der Mechanismen und der Regulierung der Meiose von entscheidender Bedeutung für Pflanzenzuchtprogramme und damit auch für die Deckung des Nahrungsmittelbedarfs. Über die Steuerung der Meiose bei Mais ist jedoch nur wenig bekannt. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde das Cyclin SOLO DANCERS (SDS) in Mais charakterisiert. Aus früheren Studien in Arabidopsis ist bekannt, dass SDS von DNA MEIOTIC RECOMBINASE 1 (DMC1) benötigt wird, um die Reparatur von Doppelstrangbrüchen (DSB) zu vermitteln. Im Gegensatz zu Arabidopsis thaliana hat SDS in Reis eine wichtige Funktion bei der DSB-Bildung: Eine Mutation des OsSDS-Gens führt dazu, dass keine Rekombinationsproteine rekrutiert werden, keine DSBs entstehen und der synaptonemale Komplex (SC) nicht installiert wird.

In meiner Arbeit habe ich nun gezeigt, dass Zea mays zwei mutmaßliche SDS-Homologe enthält, ZmSDS1 und ZmSDS2. Um ihre Funktion zu untersuchen, wurde in der Inzuchtlinie A188 mit Hilfe des CRISPR/Cas9- Systems (Clustered regularly interspaced palindromic repeats) eine Doppelmutante erzeugt. Diese Doppelmutante war sowohl männlich als auch weiblich steril. Die Analyse der Chromosomen während der Meiose zeigte eine geringere Häufigkeit von Synapsen und eine niedrige Anzahl von bivalenten Chromosomen. Mit einem SDS1-RFP-Reporter-Konstrukt in der sds-Doppelmutante konnte die Lokalisierung von SDS1 in den Zellkernen der Meiozyten in der frühen Prophase I gezeigt werden. Hier wurden mehrere starke punktförmige Fluoreszenzsignale beobachtet, die auf eine Lokalisierung auf den Chromosomen hindeuten. Immunlokalisierungsexperimente, die in der sds- Doppelmutante unter Verwendung eines RADIATION SENSITIVE 51 (RAD51)-Antikörpers durchgeführt wurden, zeigten eine signifikante Reduktion der Anzahl der RAD51-Signale im Vergleich zum Wildtyp (WT), was auf eine Abnahme der DSBs hinweist.

Darüber hinaus ist das Protein ENHANCER OF CELL INVASION NO.10 (HEI10) in der Doppelmutante reduziert, was ebenfalls auf Defekte im meiotischen Klasse-I-Rekombinationsweg hinweist. Eine direkte Interaktion von SDS1 mit HEI10 konnte jedoch nicht nachgewiesen werden. Die Gesamtheit der Daten legt nahe, dass SDS die Chromosomenbildung während der Meiose organisiert und als lokaler Faktor für die CO-Bildung in Mais fungiert.

Im zweiten Teil der Arbeit sollte die Rolle der SDS-Introns bei der meiosespezifischen Expression von ZmSDS1 in Arabidopsis untersucht werden. In ersten Experimenten wurde festgestellt, dass ein intronloses ZmSDS1 cDNAGen, das durch den AtSDS-Promotor angetrieben wird, nicht in der Lage ist, die Mutante zu komplementieren, während das gleiche Konstrukt mit dem genomischen offenen Leserahmen (ORF) von AtSDS dies tut. Um dies zu untersuchen, wurde eine Reihe von AtSDS- und ZmSDS1-Reporterkonstrukten zur Komplementierung von sds-Mutanten in Arabidopsis thaliana erzeugt. Es wurde eine phänotypische Charakterisierung der sds-Mutanten mit den verschiedenen Konstrukten durchgeführt, einschließlich der Untersuchung der männlichen Antheren mit Meiozyten durch konfokale Lasermikroskopie. Meine Ergebnisse zeigten, dass die SDS-Introns in Arabidopsis für die Meiosespezifische Expression nicht erforderlich sind. Außerdem konnte das genomische ZmSDS1-Gen in A. thaliana unter der Kontrolle des AtSDSPromotors nicht exprimiert werden, obwohl eine Version, bei der das zweite Intron ausgetauscht wurde, den Phänotyp der Atsds-Mutante teilweise ergänzen konnte. Alles in allem sind die ZmSDS1-Introns nicht notwendig, um die meiotische spezifische Expression zu steuern. Die Ergebnisse meiner Arbeit zeigen, dass ZmSDS1 das AtSDS-Homolog/Ortholog ist.