Genome Biol | 韩方普研究组在小麦多倍体及着丝粒研究中取得新进展

摘要：着丝粒，即染色体上如同“腰部”的关键区域，是确保细胞分裂时染色体能够被精准、均等地分配到子细胞中的核心结构。尽管其功能在所有真核生物中高度保守，着丝粒的DNA序列却是基因组中进化最迅速的部分之一，这一现象被称为“着丝粒悖论”。在多倍体植物中，这一悖论显得尤为复

着丝粒，即染色体上如同“腰部”的关键区域，是确保细胞分裂时染色体能够被精准、均等地分配到子细胞中的核心结构。尽管其功能在所有真核生物中高度保守，着丝粒的DNA序列却是基因组中进化最迅速的部分之一，这一现象被称为“着丝粒悖论”。在多倍体植物中，这一悖论显得尤为复杂。多倍体植物（如普通小麦）的细胞核内，汇集了来自不同祖先物种的染色体组（亚基因组），它们的着丝粒被迫在同一个细胞核环境中共同工作和演化。这些来自不同“家乡”的着丝粒是如何在多倍化这一剧烈的基因组事件后相互适应、协同进化的？它们的演化遵循着怎样的规律？这些问题一直是基因组进化生物学领域的谜团。普通小麦（六倍体，BBAADD）拥有清晰的、阶梯式的多倍化历史，是研究这一科学问题的绝佳模型。

中国科学院遗传与发育生物学研究所的韩方普团队与华中农业大学的苏汉东团队合作，在《Genome Biology》发表题为“Distinct evolutionary trajectories of subgenomic centromeres in polyploid wheat”的论文，通过对普通小麦及其二倍体、四倍体祖先进行系统性的比较基因组学分析，绘制出了一幅精细而动态的小麦着丝粒演化图谱。研究揭示，在异源六倍体小麦中，来自不同祖先的AA、BB和DD亚基因组的着丝粒，在多倍化后走上了截然不同的演化道路。AA亚基因组的着丝粒经历了反复的逆转录转座子“入侵”和“更替”，呈现出动态重塑的特征；而DD亚基因组的着丝粒则表现为一种渐进式的“扩张”，以适应新的、更大的基因组环境。

1. 小麦着丝粒的构成与亚基因组差异

研究首先利用最新的小麦参考基因组和着丝粒特异性组蛋白CENH3的ChIP-seq数据，精准地描绘了小麦21条染色体上功能性着丝粒的景观。分析发现，小麦的着丝粒主要由五类着丝粒特异性的逆转录转座子（CRWs）构成，其中CRW1和CRW2家族最为丰富。尽管都由CRWs主导，但来自AA、BB和DD三个亚基因组的着丝粒，在CRW家族的构成比例、拷贝数以及这些转座子的插入时间上，均表现出显著的差异。特别是DD亚基因组的着丝粒，其CRW的插入时间普遍比AA和BB亚基因组的更为古老，显示出其独特的演化历史（图1, 2）。

2. AA亚基因组着丝粒的演化：反复的“入侵-更替”模式

为了追溯AA亚基因组着丝粒的演化轨迹，研究团队比较了其二倍体祖先（乌拉尔图小麦，Au）和一粒小麦（Am）与四倍体和六倍体小麦中AA亚基因组的着丝粒。他们发现，与二倍体祖先中连续、完整的CENH3富集区域相比，六倍体小麦中AA亚基因组的功能性着丝粒区域呈现出断裂、不连续的特征。

基于这一观察，研究提出了一个动态的“入侵-更替”演化模型（图3）：在多倍化后的漫长演化过程中，新的、更年轻的CRW逆转录转座子会周期性地“入侵”到原有的着丝粒核心区域。这些新“入侵者”由于序列更完整、转录活性可能更高，在与原有古老CRW序列的“竞争”中胜出，优先招募CENH3蛋白，从而形成新的功能性着丝粒核心。而原有的古老序列则被“排挤”到着丝粒侧翼的异染色质区域，逐渐失去功能。这一过程如同“旧王让位、新王登基”，不断地重塑着AA亚基因组着丝粒的结构和功能，使其处于持续的动态变化之中。

3. DD亚基因组着丝粒的演化：渐进式的“扩张-适应”模式

与AA亚基因组的剧烈变化不同，DD亚基因组的着丝粒展现了另一种截然不同的演化策略。通过比较其二倍体祖先（粗山羊草，DD）与六倍体小麦中的DD亚基因组着丝粒，研究发现后者的功能性着丝粒（CENH3结合区域）显著大于前者。这种变大并非通过新序列的插入，而是通过将CENH3的结合区域向着原着丝粒两侧的“边缘地带”（异染色质区）进行“扩张”来实现的（图4, 5, 6）。

研究人员推测，这是一种适应性演化。当来自基因组相对较小的粗山羊草的D染色体，通过杂交进入到基因组大得多的四倍体小麦细胞核后，为了在更大的细胞空间中确保纺锤体的正确附着和染色体的稳定分离，其着丝粒需要相应地“长大”。

4. 扩张是渐进过程，而非多倍化“休克”

这种着丝粒的扩张，是多倍化瞬间发生的“应激反应”，还是一个缓慢的演化过程？为了回答这个问题，研究团队利用人工合成的异源六倍体小麦（由四倍体小麦与粗山羊草杂交并加倍而来）进行研究。他们观察了刚刚合成后第二代（S2）的植株。结果发现，在这些“新生”的六倍体小麦中，DD亚基因组的着丝粒并未发生扩张，其CENH3的分布模式与二倍体祖先粗山羊草几乎完全一致（图7）。这一证据表明DD亚基因组着丝粒的扩张并非对多倍化“休克”的直接、快速响应，而是一个需要经历多代遗传、逐步积累变化的渐进式演化过程。

本研究通过整合多物种、多倍性水平的基因组和表观基因组数据，以前所未有的精度和广度，系统揭示了异源多倍体小麦中不同亚基因组着丝粒的演化“命运”大相径庭。研究发现，小麦着丝粒的演化主要由着丝粒特异性逆转录转座子（CRWs）驱动，但不同亚基因组采取了不同的演化策略：AA亚基因组通过新CRW家族的不断“入侵”和对旧序列的“替换”来进行动态重塑；而DD亚基因组则通过向侧翼区域的“扩张”来适应新的核环境，且这一过程是渐进的。

这项工作不仅为理解复杂基因组中着丝粒的演化和维持机制提供了深刻的见解，也为我们展现了多倍化后基因组内部不同组分如何通过差异化的路径实现协同演化。这些发现为利用远缘杂交进行作物遗传改良提供了重要的理论基础，有助于我们更好地理解和预测杂交后代基因组的稳定性和演化动态。

韩方普研究组已毕业博士生黄宇虹、刘阳副研究员与刘畅博士为论文共同第一作者，中国农业大学的赖锦盛教授和中国科学院遗传与发育生物学研究所的凌宏清研究员提供小麦测序数据，韩方普研究员和华中农业大学苏汉东教授为共同通讯作者。研究得到国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目资助。

DOI链接:https://doi.org/10.1186/s13059-025-03759-4