B染色体作为独立于常规染色体（A染色体）的一类特殊染色体，广泛存在于多种植物、动物和真菌中，其功能尚不完全明确，但通常被认为对生物体的生存和繁殖没有显著影响。玉米B染色体不遵循孟德尔遗传定律，而是通过花粉第二次有丝分裂期间姐妹染色体单体不分离及优先受精的传递机制（B chromosome drive），在种群中高效传递。早期遗传学家利用B-A染色体易位、B染色体着丝粒错分裂及B染色体断裂等系统，创制了丰富的染色体变异材料，推动了着丝粒功能解析 (Zhang et al., Plant Cell, 2013；Liu et al., PNAS 2015；Plant Cell, 2020; Han et al., Plant Cell, 2007, 2009; PNAS, 2006)和人工染色体研究（Han et al., Plant Cell, 2007; Yu et al., PNAS, 2007）。由于B染色体对植株生长发育影响极小，被认为是外源基因的理想载体，有望成为新一代精准育种工具。随着育种5.0时代的到来，深入解析B染色体基因组特征将发挥重要作用。2021年，中国科学院遗传与发育生物学研究所韩方普研究组与合作者完成了玉米B染色体的二代测序（Blavet et al., PNAS, 2021），但由于重复序列区域的复杂性，组装的基因组仍存在较大缺口，限制了对这些区域的深入解析。
2025年3月7日，韩方普研究组与美国密苏里大学 James A. Birchler团队合作，在Genome Biology 期刊在线发表了题为“Genome assembly of the maize B chromosome provides insight into its epigenetic characteristics and effects on the host genome”的研究论文（DOI: 10.1186/s13059-025-03517-6）。该研究利用PacBio HiFi高精度长度长测序结合Hi-C技术，成功构建了携带两条B染色体的玉米B73基因组的高质量组装。本次组装的基因组大小为2.39 Gb，基于BUSCO的基因组完整性评估达到98.8%，长末端重复序列组装指数LAI为22.99，表明该基因组达到高质量参考标准。其中，B染色体大小为 135.04 Mb，相较于chrB v1.0参考基因组，新增28.4 Mb的序列，并成功组装660 kb先前未能解析的短臂区域，新注释3252个基因。
为全面解析玉米B染色体的表观遗传特征，研究人员整合了H3K4me3、H3K9ac和H3K27me3组蛋白修饰、DNA甲基化及R-loop测序数据，构建了B染色体的表观修饰图谱，系统解析了B染色体常染色质与异染色质区域的序列组成、基因表达及染色质修饰状态。通过CENH3抗体染色质免疫共沉淀结合二代测序的方法（ChIP-seq），研究团队精确地确定了B染色体着丝粒的位置和大小。结果表明，B染色体的着丝粒位于染色体端部。此外，B染色体着丝粒与A染色体着丝粒类似，均含有CentC、CRM1和CRM2等重复序列，但B染色体还包含其特异的重复序列B-repeat（pZmBs）。pZmBs由四种repeat monomer（ZmBs223, ZmBs265, ZmBs244, and ZmBs228）构成。在着丝粒区域，这四种repeat monomer主要依次排列，组成一个repeat unit串联重复。而在染色体短臂和长臂上，主要表现为ZmBs223拷贝数增加，形成更长的重复单元，同时也存在较少比例的其他排列模式。此外，ZmBs223相较其他三个monomer具有更高水平的组蛋白修饰、甲基化及R-loop，表明这种特异的卫星重复序列排布方式及表观修饰模式可能在调控着丝粒功能中发挥重要作用。
当B染色体数目较少时，其对植物的影响通常微乎其微，但当拷贝数积累到一定数目时，就会对植株的生长发育产生显著影响。进一步研究表明B染色体对A染色体基因表达及R-loop分布的影响具有组织特异性，相比于雌穗，B染色体在叶片引发更多基因表达变化，且当B染色体拷贝数增加时，差异表达基因主要富集于细胞代谢相关通路。此外，B染色体影响A染色体上R-loop形成的位置及水平，但其对A染色体上基因表达和R-loop水平的影响主要取决于B染色体的存在，而不是其拷贝数。本研究为利用B染色体构建人工染色体与精准育种提供了重要理论依据。
中国科学院遗传与发育生物学研究所韩方普研究员和美国密苏里大学James A. Birchler教授为该论文的共同通讯作者。博士后刘倩、副研究员刘阳和博士研究生易从杨为共同第一作者。研究得到了国家自然基金委重点国际合作项目的资助。
图：玉米B染色体基因组组装及着丝粒结构解析
