编者按：小编在1月30日推送的、关于Ph1解读的“我要上PC”—小麦领域Plant Cell上论文合辑（九），得到了很多小伙伴的反馈和讨论。这里，我们邀请到美国UC Davis 的博后，Hao Li博士为我们继续解读Ph1，以飨读者。Hao Li博士目前正在从事Ph1的相关研究，他所在的实验室从上个世纪七十年代就开始研究Ph1，所以很荣幸可以邀请到他，为我们带来关于Ph1的春节钜献。

前不久看到公众号上小编Meng Wang的 “我要上PC” —小麦领域Plant Cell上论文合辑（九），讲解的是Ph1的故事，看到后大呼过瘾。然而呼喊到文章结尾，发现故事戛然而止到2012年，心中有些意兴阑珊，于是乎联系小编，进行了一番讨论。叹道2012年之后的Ph1故事更加精彩，而且都是离其真实面目越来越近的报道，与小编一致认为Ph1的故事应该有续集，遂把这些2012年之后的报道推向大家。鉴于本人BOSS（老先生毕生致力于小麦基因组的遗传和进化以及D基因组供体的研究）一直对Ph1颇有兴趣，本人也有幸从事了一些Ph1相关的工作，于是受托着手Ph1的故事之二。受此重托，本人也倾尽脑汁，可能会带有部分偏见，如有不到之处，还请海涵，也欢迎留言讨论。

常听老先生把 “The most important gene in wheat is Ph1” 放在嘴边，足见Ph1在小麦基因组中的份量。言归正传，2012年至今，Ph1的研究主要也是由Prof. Graham Moore (John Innes Centre)和Prof. Kulvinder Gill (Washington State University) 报道的。2014年之前的工作，大家感兴趣的话可以去Graham Moore实验室网站（https://www.jic.ac.uk/staff/graham-moore/）找到一个 “Presentation: A summary of the Ph1 story so far.” 的PPT文件进行了解。

2014年8月，Graham Moore组在Nature Communications发文（见下图），重新提出了Ph1的功能是促进同源染色体间的配对而不是抑制部分同源染色体间的配对，但是会阻止已经发生配对的部分同源染色体中的MLH1位点向crossover的转变（MLH1是错配修复蛋白，同源染色体间的配对和重组只会在MLH1结合的位点发生，因而MLH1会指示即将发生crossover的位点）。

同是2014年8月，Kulvinder Gill组在PNAS上发文号称找到了Ph1的候选基因，命名为C-Ph1（见下图）。基于Gill et al. (1993) 和Griffiths et al. (2006) 利用5B染色体缺失材料将Ph1缩小到一个2.5 MB区域，Kulvinder Gill组比较基因组学将此区域同步到水稻基因组450kb的区域，首先利用生物信息学分析将该区域的91个基因过滤到26个基因，然后VIGS验证分析鉴定出一个候选基因 (C-Ph1; LOC_Os9g30320, wheat expressed sequence tag(EST) homolog BE498862)，并进行后续的功能验证证明其是Ph1的候选基因。

C-Ph1的文章一经发表，引起了不少轰动，但是也有不少大咖表示质疑。加上此前Graham Moore组提出的CDK2-like基因簇理论，各种争论接踵而来。在2016年PAG会上，私底下跟Graham Moore教授交流的时候，他非常肯定的说C-Ph1不是Ph1。果然，在沉寂了3年之后，各种争论徐徐到来。

2017年4月，Graham Moore组在Chromosoma上发文进一步阐释Ph1在染色体联会和交叉重组的机理（见下图）。基于他们2014年的研究，Ph1的功能是促进减数分裂早期同源染色体间的联会，也会阻止已经发生联会的部分同源染色体中的MLH1位点向crossover的转变 (Martín et al. 2014)。首先，他们本文发现不论Ph1是否存在，部分同源染色体间的联会是不能在端粒花束期发生的，而只有同源染色体间的联会会在这个时期发生。在没有Ph1时，联会的进程明显晚于端粒花束期，大部分的部分同源染色体间的联会发生于花束期以后。其次，在没有Ph1时，MLH1位点向crossover的转变是能够被环境条件操纵的，比如高营养水平的土壤和较低温的处理均能增加同源染色体间和部分同源染色体间crossover的比例。而这些结果对于在育种中应用Ph1突变体提供了更多的可能。

Graham Moore组本文中提出Ph1位点已经被锚定在这个含有CDK2-like基因和甲基化转移酶(SAM-MTases)基因的基因簇，这个区域包含了一个来自3B染色体的片段，该片段中带有一个之前命名为hypothetical 3(Hyp3) 的基因(Griffiths et al. 2006; Al-Kaff et al. 2008)，现在重新命名为ZIP4 (UniProtKB-Q2L3T5)。而Ph1对于crossover形成的影响很可能就是这个ZIP4基因的作用。

紧接着，2017年7月，Graham Moore组在Mol. Breeding发表文章（见下图），借阐释Ph1区域Tazip4-B2基因突变体的机会，进一步捍卫了他们的理论 “Ph1位点是一个复杂的基因簇，包含了CDK2-like基因和甲基化转移酶（ZIP4的旁系同源基因）也在内”（原话是Ph1 locus is a complex cluster of CDK2-like and methyl transferase genescontaining a ZIP4 paralogue）。

其在文中犀利指出C-Ph1在水稻中的同源基因Os9g30320实际上是一个绒毡层细胞基因（Jeon et al.1999）。而且小麦中的C-Ph1的旁系同源基因，名为Raftin1，也被认定为是绒毡层细胞基因 (Wang et al.2003)。绒毡层细胞基因的表达呈现高峰会因为绒毡层细胞完全附着在减数第一次分裂中期花粉母细胞而发生。此类基因的紊乱会导致花粉母细胞受到胁迫，染色体聚集到一起和雄性不育，因而利用此类基因可以诱导产生雄性不育系，两个专利也已经被授权(Patents WO2000026389A3 和US20040060084)。这点也得到了公众号小编倪飞博士（太谷核不育基因Ms2克隆的主要参与者）的确认。并且之前Al-Kaff et al. (2008)报道的2.5 MB区域内的缺失材料中也缺失了C-Ph1基因，却没有表现出Ph1突变体的表型，他们推测Bhullar et al. (2014)报道的缺失材料的表型可能被错误鉴定，或者VIGS鉴定的表型是由脱靶效应造成的。仔细比较会发现其报道的VIGS鉴定的表型比整个5B染色体的缺失还剧烈。因而，C-Ph1应该不是Ph1！！！

Graham Moore组再次强调利用缺失系的分析已经把Ph1位点锚定在这个2.5MB区域，这个区域包含了一个来自3B染色体的带有异染色质和TaZIP4-B2基因 (原名为Hyp3, UniProtKBQ2L3T5)的复制片段，此片段插入到了CDK2-like基因簇（穿插了甲基化转移酶基因，原名为SpG, UniProtKB-Q2L3W3) (Griffiths et al. 2006; Al-Kaff et al. 2008; Martín et al. 2017)。但是这些基因对Ph1表型的贡献还是未知的。鉴于ph1b突变体带有太多的部分同源染色体交叉重组导致的染色体异构，而且严重影响育性(Sánchez-Morán et al. 2001)，他们本文成功地分离出小麦中能够带有较小影响的TaZIP4-B2基因突变体Cadenza1691和Cadenza0348，进而可以推广应用。

这还没完，Kulvinder Gill组在2018年PAG大会上提交了3个C-Ph1相关abstract和poster (https://pag.confex.com/pag/xxvi/meetingapp.cgi/Person/50501)。文中声称利用C-Ph1对ph1b突变体进行互补功能验证，发现转基因植株与黑麦染色体的配对能力比对照明显下降，因而C-Ph1能够恢复ph1b正常的染色体配对功能。此外，与二倍体相比，C-Ph1-5B拷贝通过一些进化的改变而具有了新的功能，具体是i) 29bp 缺失；ii) 60bp插入导致获得了新的motif；iii) 可变剪切；iv) 减数第一次分裂前期-中期的过早表达。

可是，同在2018年PAG大会上，来自National Research Council (Canada)的Sateesh Kagale也有一篇abstract是关于Ph1的(https://pag.confex.com/pag/xxvi/meetingapp.cgi/Paper/31148)，该文利用CS 和Cs-Ph1b突变体的RNA sequence数据和小麦基因组数据进行分析，获得了Ph1区域的完整基因序目。这些基因进行综合结构和表达分析表明Ph1是一个带有多重候选基因并带有冗余功能的复杂位点。

综合以上研究报道，可以将其汇总到一张图上（见下图），Graham Moore组认为Ph1是一个复杂的基因簇，包括了Cdk-like genes和TaZIP4-B2；而后Sateesh Kagale对ph1b突变体的生物信息分析也得出了Ph1是复杂基因复合体的相似结论；然而Kulvinder Gill组还是坚持C-Ph1是候选基因的理论，并声称1个C-Ph1就恢复了ph1b突变体的正常配对功能，但是包括本文作者在内的一些研究人员对此结果持怀疑态度。（图中显示C-Ph1的确在之前Graham Moore组创制的缺失系中发生缺失，但是没有表现出ph1b的表型）。

看了这么些令人血脉喷张的研究以及争论，关于正史的报道到这里算是告一段落，相信随着关于Ph1基因各种研究的跟进，Ph1的故事也会越来越耐人寻味，我们离揭开Ph1的面纱也越发的接近。

本文用到的文献：

Al-Kaff,N., Knight, E., Bertin, I., Foote, T., Hart, N., Griffiths, S., and Moore, G.(2008). Detailed dissection of the chromosomal region containing the Ph1 locus in wheat Triticum aestivum: withdeletion mutants and expression profiling. AnnBot 101, 863-872.

Bhullar, R.,Nagarajan, R., Bennypaul, H., Sidhu, G.K., Sidhu, G., Rustgi, S., VonWettstein, D., and Gill, K.S. (2014). Silencing of a metaphase I-specific generesults in a phenotype similar to that of the Pairing homeologous 1 (Ph1) gene mutations. Proc Natl Acad Sci U S A 111, 14187-14192.

Gill, K.S., Gill, B.S., Endo, T.R., andMukai, Y. (1993). Fine physical mapping of Ph1, a chromosome pairing regulatorgene in polyploid wheat. Genetics134, 1231-1236.

Griffiths, S., Sharp,R., Foote, T.N., Bertin, I., Wanous, M., Reader, S., Colas, I., and Moore, G.(2006). Molecular characterization of Ph1as a major chromosome pairing locus in polyploid wheat. Nature 439, 749-752.

Jeon, J.-S., Chung,Y.-Y., Lee, S., Yi, G.-H., Oh, B.-G., and An, G. (1999). Isolation andcharacterization of an anther-specific gene, RA8, from rice (Oryza sativa L.). Plant molecular biology 39,35-44.

Martín, A.C., Rey,M.-D., Shaw, P., and Moore, G. (2017). Dual effect of the wheat Ph1 locus on chromosome synapsis andcrossover. Chromosoma 126, 669-680.

Martin, A.C., Shaw,P., Phillips, D., Reader, S., and Moore, G. (2014). Licensing MLH1 sites for crossover during meiosis.Nat Commun 5, 4580.

Sanchez-Moran, E.,Benavente, E., and Orellana, J. (2001). Analysis of karyotypic stability ofhomoeologous-pairing (ph) mutants inallopolyploid wheats. Chromosoma 110, 371-377.

Wang, A., Xia, Q.,Xie, W., Datla, R., and Selvaraj, G. (2003). The classical Ubisch bodies carrya sporophytically produced structural protein (RAFTIN) that is essential for pollen development. Proceedings of the National Academy ofSciences 100, 14487-14492.