多倍体小麦亚基因组着丝粒的差异化进化轨迹揭示反转座子驱动的着丝粒适应性演化

本研究通过整合CENH3-ChIP测序和高质量基因组组装数据，系统解析了六倍体小麦及其祖先物种着丝粒的进化动态。研究人员发现小麦着丝粒主要由5类着丝粒特异性反转座子(CRW)构成，其中CRW1和CRW2占主导地位。研究揭示了AA和DD亚基因组着丝粒在CRW拷贝数、插入时间和组成上的差异化进化路径：AA亚基因组经历连续CRW入侵事件，而DD亚基因组通过从二倍体到六倍体的渐进式扩展适应更大基因组环境。该成果为理解多倍化过程中着丝粒的适应性进化提供了新见解，发表于《Genome Biology》。

　　

作为全球最重要的粮食作物之一，普通小麦(Triticum aestivum)拥有复杂的六倍体基因组(2n=6x=42，BBAADD)，其进化历程堪称植物基因组演化的经典案例。大约600-700万年前，小麦祖先分化形成A、B、D三个基因组谱系，经过两次杂交多倍化事件：首先是A和B基因组在约80万年前形成四倍体小麦(T. turgidum，BBAA)，随后在不到1万年前与D基因组供体Aegilops tauschii杂交形成现代六倍体小麦。这个独特的进化历程使得小麦成为研究多倍化过程中基因组适应的理想模型，特别是对于理解着丝粒这种在细胞分裂中起关键作用却又快速进化的基因组区域。

着丝粒是真核生物染色体的重要功能区域，负责组装动粒复合体以确保染色体正确分离。然而令人困惑的是，尽管功能高度保守，着丝粒DNA序列却是基因组中进化最快的区域之一。在拟南芥和人类中，着丝粒进化主要遵循卫星序列均质化或分层扩展模型，但对于反转座子(RT)富集的着丝粒（如禾本科植物）的进化机制仍不清楚。小麦着丝粒主要由长末端重复反转座子(LTR-RTs)构成，这些"分子化石"记录着着丝粒的进化历史。此前研究受限于基因组组装质量，难以全面解析着丝粒结构。随着中国春(CS-CAU)等高质量参考基因组的发布，为系统研究小麦着丝粒进化提供了前所未有的机会。

研究人员采用CENH3-ChIP-seq技术结合高质量基因组组装，对六倍体小麦及其二倍体、四倍体祖先的着丝粒进行了系统比较分析。研究团队收集了包括二倍体乌拉尔图小麦(T. urartu)、栽培一粒小麦(T. monococcum)、节节麦(Ae. tauschii)、四倍体野生二粒小麦(T. turgidum ssp. dicoccoides)和栽培硬粒小麦(T. turgidum ssp. durum)在内的多个代表性材料，通过CENH3抗体进行染色质免疫沉淀测序。特别值得注意的是，研究还包含了人工合成的六倍体小麦Za-Y2(T. turgidum×Ae. tauschii)的S₂-S₃代材料，用以追踪多倍化初期的着丝粒变化。数据分析方面，采用RepeatExplorer和LASTZ进行重复序列注释，LTR_finder和LTRharvest鉴定全长LTR-RTs(fILTR-RTs)，并通过LTR序列差异估算插入时间。

研究首先描绘了六倍体小麦着丝粒的精细图谱。21条染色体的着丝粒大小在5.0-7.8 Mb之间，AA、BB和DD亚基因组平均分别为6.5 Mb、5.7 Mb和6.0 Mb。着丝粒主要由LTR-RTs构成(95%以上)，仅含少量卫星序列(CentT566和CentT550)。通过系统发育分析将着丝粒特异性反转座子分为5类：CRW1-2(Cereba家族)、CRW3(Quinta)、CRW4(Abia)和异质性较高的CRW5。年龄分析显示DD亚基因组着丝粒含有更古老的CRWs，而BB亚基因组含有最多新近插入的CRWs。

对AA亚基因组着丝粒的进化轨迹分析发现，当将二倍体T. urartu的CENH3-ChIP数据比对到六倍体参考基因组时，着丝粒信号呈现不连续分布，暗示多倍化过程中发生了CRWs的入侵事件。研究人员将这些区域划分为5个功能域，发现新形成的功能性着丝粒区域(Region 2)含有最年轻的CRW插入。这支持了一个进化模型：在多倍化过程中，连续的CRW入侵导致着丝粒结构变异，将古老着丝粒重复序列推向邻近的着丝粒周边区域，CENH3核小体在新旧CRWs间振荡，最终年轻的CRW区域获得更强的CENH3结合能力。

DD亚基因组着丝粒则展现出不同的进化模式。研究发现Cen1D和Cen4D是古老的着丝粒(paleo-centromeres)，主要由CRW5构成。特别有趣的是，Cen4D在六倍体小麦和二倍体节节麦中表现出"双着丝粒"现象，但失活位置相反：节节麦中天然着丝粒失活，而六倍体小麦中新生着丝粒失活。其他DD着丝粒(2D、3D、5D、6D和7D)主要由年轻的CRW1&2构成，通过向一侧或两侧扩展适应更大的基因组环境。值得注意的是，在合成六倍体小麦中并未观察到DD着丝粒的立即扩展，说明这是一个渐进过程而非多倍化直接诱导。

研究还发现，年轻的CRWs可能通过维持最佳转录水平来支撑着丝粒功能。随着CRWs老化，其LTR启动子活性逐渐丧失，而新插入的完整CRWs能重新启动转录，这种新旧CRWs的竞争推动着着丝粒功能的延续。此外，着丝粒周边区域也被证明具有形成功能性着丝粒的潜力，暗示着丝粒边界具有可塑性。

这项研究首次系统描绘了多倍体小麦亚基因组着丝粒的差异化进化轨迹，揭示了反转座子驱动着丝粒适应的分子机制。研究发现AA和DD亚基因组着丝粒采取了截然不同的进化策略：AA亚基因组通过CRWs的连续入侵实现功能更替，而DD亚基因组则通过渐进式扩展适应基因组环境变化。这些发现不仅丰富了我们对植物着丝粒进化的认识，也为作物遗传改良提供了重要理论基础。特别是对古老着丝粒和新生着丝粒的动态变化机制的解析，为理解多倍化初期基因组稳定性的维持提供了新视角。研究还提出了一个普适性模型：年轻CRWs通过维持转录活性来补偿老化元件的功能衰退，这一发现可能适用于其他反转座子富集着丝粒的物种。该成果于2025年发表在《Genome Biology》杂志，由中国科学院遗传与发育生物学研究所韩方普团队主导完成。