葱属植物着丝粒多样性研究：揭示洋葱着丝粒位置多态性与大蒜巨型着丝粒结构

本研究通过pancentromere分析和重复序列分析，揭示了葱属植物（包括洋葱、大蒜和分葱）着丝粒在序列组成、大小和位置上的显著多样性。研究发现洋葱着丝粒具有高达28.0 Mb的位置多态性，而大蒜着丝粒可达10.6 Mb，是目前已知单着丝粒染色体中最大的。该研究为理解着丝粒进化与稳定性机制提供了新见解，发表于《The Plant Cell》。

　　

在真核生物中，着丝粒（centromere）作为染色体上负责遗传物质均等分配的关键区域，其结构与功能一直是细胞生物学研究的核心问题。传统观点认为着丝粒在物种内具有位置保守性，但近年来高通量测序技术的发展逐渐打破了这一认知。葱属植物（Allium）因其巨大的基因组和较少的染色体数目，长期以来被用作细胞遗传学研究的模式材料，但其着丝粒的精细结构特征和种内多态性仍不清楚。

日本冈山大学植物科学与资源研究所的Kiyotaka Nagaki团队联合多个研究机构，通过对葱属三个代表性物种（分葱Allium fistulosum、洋葱Allium cepa和大蒜Allium sativum）进行pancentromere分析和重复序列解析，首次系统揭示了该属植物着丝粒的多样性特征。研究发现分葱具有稳定的着丝粒结构，其着丝粒区域包含成熟的串联重复序列AfCEN（平均大小1.86 Mb）；而洋葱则表现出显著的着丝粒位置多态性，不同品种间着丝粒位置差异可达28.0 Mb，且同一品种不同个体间也存在多态性；大蒜则拥有目前已知最大的单着丝粒结构（平均10.6 Mb），但其着丝粒区域缺乏典型的串联重复序列。这些发现发表于植物学顶级期刊《The Plant Cell》，为理解着丝粒进化与表观遗传调控机制提供了重要线索。

研究团队主要运用了以下关键技术：1）染色质免疫沉淀测序（ChIP-seq）使用抗CENH3抗体定位着丝粒区域；2）基于参考基因组的pancentromere分析比较不同品种的着丝粒特征；3）moddotplot软件检测串联重复序列；4）RepeatExplorer2进行重复序列聚类分析。样本包括8个分葱品种、9个洋葱品种（含3个分蘖洋葱变种）和2个大蒜品种，以及2个分葱与洋葱的天然杂交种Wakegi。

研究结果首先显示，分葱的着丝粒具有高度稳定性，所有8个品种均显示每条染色体单一着丝粒位点，包含多态性串联重复序列AfCEN（单元长度1,074-4,452 bp），这些序列与先前报道的Afi11、Afi19等片段高度相似。通过RepeatExplorer2分析确认CENH3染色质主要富集AfCEN重复序列，而先前报道的CAT36序列仅存在于着丝粒邻近区域。

洋葱的着丝粒则表现出惊人的多态性特征。在9个洋葱品种中，同一染色体上常出现多个CENH3富集峰，且位置在品种间和个体间存在显著差异（最大位移28.0 Mb）。值得注意的是，通过分析7个品种的两个个体发现，除分蘖洋葱（无性繁殖）外，其余品种均存在个体间着丝粒位置多态性。序列分析发现洋葱着丝粒区域包含两类不成熟的重复序列：与AfCEN同源的AcCEN（1.5-1.8 kb单元）和新型重复序列CentAc（1.78-1.975 kb单元），其中CentAc相关着丝粒区域显著大于其他类型。

对分葱与洋葱的天然杂交种Wakegi的分析显示，杂交后洋葱来源的染色体着丝粒多态性消失，转变为单一着丝粒位点，表明分葱基因组可能含有稳定着丝粒的遗传因子。

大蒜的着丝粒研究则揭示了更特殊的现象。虽然每条染色体基本保持单一着丝粒位点，但其平均大小达10.6 Mb（范围8.8-13.2 Mb），是迄今报道最大的单着丝粒结构。特别的是，Chr7上存在三个独立CENH3富集区（1.0/3.4/7.8 Mb）。与分葱和洋葱不同，大蒜着丝粒区域缺乏典型串联重复序列，仅发现散在分布的Tekay型反转录转座子AsCL96可能与着丝粒功能相关。

在讨论部分，研究者提出了三个重要观点：首先，葱属植物着丝粒稳定性与重复序列成熟度可能相关——分葱具有成熟AfCEN重复和稳定着丝粒，洋葱含不成熟重复序列且着丝粒多态性高，而大蒜完全缺乏串联重复却保持稳定，这对"串联重复是着丝粒稳定必要条件"的传统观点提出挑战。其次，大蒜巨型着丝粒（10.6 Mb）符合Bennett提出的着丝粒大小与基因组规模的正比关系，而分葱着丝粒（1.86 Mb）反而成为该关系的异常值。最后，洋葱着丝粒在杂交种中的稳定化现象暗示分葱可能编码某种着丝粒定位因子，其机制有待进一步解析。

这项研究的重要意义在于：1）首次系统揭示了葱属植物着丝粒的极端多样性，为研究着丝粒进化提供了独特模型；2）发现洋葱着丝粒存在迄今最大规模的种内位置多态性，暗示高等植物着丝粒可塑性远超预期；3）挑战了着丝粒稳定需要串联重复的传统认知，为表观遗传调控研究开辟新方向。这些发现不仅丰富了植物细胞遗传学理论，也为作物遗传改良中的染色体工程提供了重要参考。