Meiotic crossover recombination produces recombined chromosomes to ensure genome integrity and increase genetic diversity in progeny. Meiotic recombination initiates with the formation of numerous DNA double-strand breaks (DBSs), but only a small number of these DSBs are repaired as chromosomal exchanges of crossovers, resulting in 1~2 crossovers per chromosome pair. The distribution and frequency of DSBs and crossovers are non-uniform along chromosomes, mainly occurring at recombination hotspots found at gene promoters and terminators in euchromatin, while heterochromatin is recombination suppressed. The narrow range of crossover numbers and skewed distribution of crossovers are major obstacles to be addressed in modern plant breeding. Hence, manipulation of crossovers is of great interest in plant breeding to maximize genetic gain. We aim to understand mechanisms controlling the number and position of crossovers in plants. To achieve this, we use advanced methods of recombination measurements, including genome-wide crossover mapping and fluorescent crossover reporter-based genetic screening of high crossover rate mutants. Our studies on meiotic recombination in the model plant Arabidopsis will help accelerate plant breeding for food security by recombining or mapping useful genetic and epigenetic variations in crop varieties.

식물유전체재조합 연구실은 감수분열(meiosis) 중 상동 염색체들 사이에 유전 물질을 교환하는 교차(crossover) 현상의 분자적 기전을 연구합니다. 교차는 생명의 다양성에 기여하고 염색체 상에서 교차 수 제한, 교차 간섭과 같은 신비로운 생물학적 패턴을 보입니다. 또한 교차는 인류의 먹거리를 창출하는 식물 육종에도 매우 중요합니다.
대부분의 생물은 교차 수가 상동 염색체 쌍 당 1-2회로 억제되고 후성유전학적 인자들에 의해서 교차 분포가 불균등합니다. 우리 연구실은 최첨단 유전학적, 유전체학적, 세포학적 연구 기법을 이용하여 새로운 교차억제 및 교차촉진인자들을 발굴하여 연구하고 있으며, 궁극적으로 교차 수와 위치를 엔지니어링할 수 있는 분자육종기술을 개발하고자 합니다.

교차 최대화 연구
형광종자 및 형광 꽃가루 교차 리포터 식물, EMS mutagenesis, activation-tagging mutagenesis 및 유전학적 스크린을 이용해 확보한 교차증가 돌연변이체(high crossover rate1 (hcr1) to hcr8 recessive mutants; hcr10-D to hcr17-D dominant mutants) 연구를 통해 새로운 교차조절인자들의 분자적 기능을 연구합니다. 본 연구를 통해 Cas9 유전자 가위를 이용한 돌연변이 식물 제작, 감수분열 특이적 유전자 발현 조절, 형광종자 및 꽃가루 리포터 식물을 활용한 교차 빈도 측정, genotyping-by-sequencing을 이용한 유전체 교차 지도 작성 및 분석, 감수분열 세포의 세포학 분석을 직접 수행하고 배울 수 있습니다.

교차 유도 및 엔진니어링 연구
Cas9 시스템의 다양한 변형을 이용하여 감수분열 동안 원하는 특정 위치에 교차를 유도할 수 있는 시스템을 개발합니다. 본 연구를 통해 염색체 상에 교차 유도 위치를 지정하고 다양한 방법을 통해 교차를 유도하는 실험을 수행할 수 있습니다.

교차 조절 및 활용 연구
교차 최대화를 이용해 원하는 형질 변이의 QTL mapping을 가속화하는 연구를 수행합니다. 또한 모델 식물 애기장대 뿐만 아니라 다양한 식물에서 교차를 없애고 감수분열을 체세포분열로 변환하여 유전체의 polyploidy을 유도하거나 잡종 식물의 클론 자손을 생성할 수 있도록 교차, 감수분열 및 배 발생을 조절하는 연구를 합니다.

• ㆍMechanism of meiotic crossover pattering in plants
• ㆍEpigenetic control of meiotic recombination in plants
• ㆍControl of plant meiotic crossover number and position in plants

• ㆍKim H, et al., (2024) Control of meiotic crossover interference by a proteolytic chaperone network. Nature Plants 41, e109958
• ㆍKim J, et al., (2022) Arabidopsis HEAT SHOCK FACTOR BINDING PROTEIN is required to limit meiotic crossovers and HEI10 transcription. EMBO Journal 41, e109958
• ㆍDageswaran D, et al., (2021) HIGH CROSSOVER RATE1 encodes PROTEIN PHOSPHATASE X1 and restricts meiotic crossovers in Arabidopsis. Nature Plants 7, 452-467
• ㆍLim E, et al., (2020) DeepTetrad: high-throughput image analysis of meiotic tetrads by deep learning in Arabidopsis thaliana. Plant Journal 101, 473-483
• ㆍChoi K, et al., (2018) Nucleosomes and DNA methylation shape meiotic DSB frequency in Arabidopsis transposons and gene regulatory regions. Genome Research 28, 532-546
• ㆍChoi K, et al., (2016) Recombination rate heterogeneity within Arabidopsis disease resistance genes. PLoS genetics 14, e1006179
• ㆍChoi K, et al., (2016) Regulation of microRNA-mediated developmental changes by SWR1 chromatin remodelling complex in Arabidopsis thaliana. Plant Physiology 171, 1128-43
• ㆍChoi K, et al., (2013) Arabidopsis meiotic crossover hot spots overlap with H2A.Z nucleosomes at gene promoters. Nature genetics 45, 1327-1336
• ㆍChoi K, et al., (2011) The FRIGIDA complex activates transcription of FLC, a strong flowering repressor in Arabidopsis, by recruiting chromatin modification factors. Plant Cell 23, 289-303
• ㆍChoi K, et al., (2007) Arabidopsis homologs of components of SWR1 complex regulate flowering and plant development. Development 134, 1931-1941
• ㆍChoi K, et al., (2005) SUPPRESSOR OF FRIGIDA3 encodes a nuclear ACTIN-RELATED PROTEIN6 required for floral repression in Arabidopsis. Plant Cell 17, 2647-2660

• ㆍB.S., Seoul National University, Seoul, Korea (2000)
• ㆍM.S., Seoul National University, Seoul, Korea (2002)
• ㆍPh.D., Seoul National University, Seoul, Korea (2007)

• ㆍ2007-2010 : Postdoctoral research fellow, Seoul National University, Korea
• ㆍ2010-2012 : Postdoctoral research EMBO fellow, University of Cambridge, UK
• ㆍ2012-2016 : Postdoctoral research associate, University of Cambridge, UK
• ㆍ2016-2017 : Research Professor, Gyeongsang National University, Korea
• ㆍ2017.2-Present : Faculty, Department of Life Sciences, POSTECH

• ㆍGenetic identification of anti-crossover factors in plants
• ㆍGenome-wide mapping of meiotic DSBs and crossovers in Arabidopsis
• ㆍGenome-wide mapping of historical recombination hotspots in Arabidopsis
• ㆍElucidation of a role for histone variant H2A.Z in promoting crossovers in Arabidopsis

• ㆍEMBO Long-Term Fellowship (2009-2010)
• ㆍSuh Kyungbae Foundation Young Investigator Fellowship (2017-2022)
• ㆍPOSTECH Mueunjae Distinguished Professor (2023-2025)