着丝粒是真核生物染色体的重要结构。着丝粒功能异常往往导致细胞分裂过程中染色体不分离，从而导致植物生长发育受阻。着丝粒的显著特征之一是其核小体含有H3组蛋白变体CENH3。近年来，通过编辑CENH3, 在拟南芥、玉米、小麦上均获得了单倍体诱导系，说明着丝粒研究在植物育种中的潜力和重要性。着丝粒同时也是人工合成染色体的必需原料。因此，着丝粒结构和功能的解析不仅是染色体生物学领域亟待攻克的基础科学问题，也是未来合成生物学的必经之路。
着丝粒序列组成、结构及进化研究是揭示上述着丝粒功能之谜的关键。然而，由于着丝粒存在高度的重复序列，给其精确组装和功能解析带来了极大挑战。近年来，借助长读长测序技术及先进算法，人们揭示了人类着丝粒“分层扩张”和拟南芥着丝粒“均质化/多样化”的进化模型。然而这些研究仅局限在单一个体，在群体水平上着丝粒进化轨迹尚不清楚。
大豆是全世界最重要的粮食和油料作物之一。现代栽培大豆大约在5000年前由其近亲野生大豆驯化，继而进一步改良而成。目前关于大豆着丝粒的序列组成和结构功能还不清楚，在大豆驯化改良过程中，着丝粒的序列、位置是否发生变化？其作用又是什么？
中国科学院遗传与发育生物学研究所韩方普研究组长期从事植物着丝粒生物学研究。课题组围绕1）着丝粒序列组成及进化机制，2）着丝粒染色质形成和失活机制，3）着丝粒-动粒调控染色体分离机制这三个着丝粒领域重要的科学问题开展研究，取得了一系列进展[PNAS(2013,2015,2021,2022,2023), Plant Cell(2013a,2013b,2019,2020a,2020b), Genome Research(2021), PLoS Biology(2020), New Phytol (2014,2017), Plant J(2012,2016,2017a,2017b,2019), J Exp Bot(2021), PLoS Genet(2016)]。近期课题组和中国科学院遗传与发育生物学研究所田志喜研究组合作，在前期大豆泛基因组基础上（Liu et al, 2021, Cell）, 对包括3个野生种、9个农家种和15个栽培种在内的27个大豆种质进行着丝粒序列、结构及位置分析。本研究制备了可以识别大豆着丝粒特异组蛋白CENH3的抗体，通过染色质免疫共沉淀并结合二代测序的方法(ChIP-seq)，确定大豆着丝粒的位置和大小。同时通过生物信息学分析结合荧光原位杂交技术(FISH)，鉴定了大豆着丝粒区特异重复序列。建立在之前对大豆中三个着丝粒卫星的发现基础上，研究团队发现了另外两个与1号染色体特异性关联的着丝粒卫星序列（图1）。这些新的卫星重复序列揭示了1号染色体着丝粒结构在不同材料中的显著重排，从而影响到CENH3的定位。
图1：1号染色体着丝粒特异卫星序列
将27个大豆材料的CENH3-ChIP数据比对到各自参考基因组以及统一比对到“中黄13”参考基因组后，研究团队发现在20条染色体中，有14条染色体上发生了高频率的着丝粒重新定位（图2）。着丝粒重新定位是指在染色体的另一个位置上出现新的着丝粒形成，而不涉及到DNA序列的重新排列。大多数新形成的着丝粒位于原有的着丝粒位置附近，而一些新形成的着丝粒则出现在与其亲缘关系较远的不同材料的相同位置。这表明它们的出现是相互独立的，而某些特定的染色体区域似乎更容易形成新的着丝粒。大豆及其他物种中广泛存在的着丝粒重定位现象暗示真正功能着丝粒区域需通过CENH3-ChIP实验确认，而不能通过着丝粒特异序列的位置确定。此外，研究团队还将两个着丝粒位置不匹配的材料进行杂交，以调查在杂交遗传背景中着丝粒位置会受到何种影响。他们发现大豆的着丝粒在S9代并没有重定位到全新的位置，它们仍然部分重叠在父母本的着丝粒区域上。此外，着丝粒区域的移动不是随机的，它们倾向于结合在着丝粒重复序列上，这表明串联重复序列可能为CENH3提供了有利的环境，从而有助于维持着丝粒的稳定性。
图2：大豆基因组进化过程中发生广泛的着丝粒重定位
该研究成果以“Pan-centromere reveals widespread centromere repositioning of soybean genomes”为题于2023年10月11日在线发表于PNAS（10.1073/pnas.2310177120），韩方普研究员和田志喜研究员为通讯作者。韩方普课题组刘阳副研究员、博士研究生易从杨、范超兰博士、刘倩博士和田志喜课题组刘书林副研究员为该文章的共同第一作者。华南农业大学王应祥教授和中国科学院遗传发育所助理研究员申莉莎参与了研究。该研究得到国家自然科学基金重点国际合作项目和国家自然科学基金青年基金的资助。
