【Nature Plants】小麦团队合作开发基于着丝粒编辑的小麦染色体核型重写技术

　　

南湖新闻网讯（通讯员 陈怡倩）近日，我校作物遗传改良全国重点实验室、湖北洪山实验室小麦遗传改良创新团队苏汉东教授课题组联合中国农业大学小麦研究中心、中国科学院遗传与发育生物学研究所，在Nature Plants发表题为“Rewriting wheat karyotypes through centromere-targeted chromosome engineering”的研究论文，开发基于着丝粒靶向编辑的染色体变异技术CECV（Centromere Editing-mediated Chromosomal Variation）。该技术利用CRISPR-Cas9靶向小麦着丝粒富集的CRW反转座子，实现了染色体全局重塑及复杂核型重构，包括着丝粒区片段的缺失和重复、染色体臂或整条染色体的获得与缺失、等臂染色体、染色体易位以及复杂多染色体重排等丰富的核型变异。

染色体核型变异是基因组演化与遗传多样性的重要基础，也是作物遗传改良和种质创新的重要途径。然而，传统染色体工程主要依赖随机诱变、远缘杂交和大规模筛选，难以实现染色体结构的精准操控。尽管CRISPR-Cas9等基因组编辑技术为染色体定向改造提供了新途径，但现有策略多依赖少数预设靶点，仅能实现个别染色体或局部片段的改造，在复杂多倍体作物中同时协调操控多条染色体仍面临巨大挑战。着丝粒是保障染色体准确分离和稳定传递的关键区域，其富含的高拷贝重复序列为同时靶向多条染色体提供了潜在切入点。

基于着丝粒靶向编辑的染色体变异技术(CECV)

研究首先通过全基因组测序分析发现，超过60%的T0代植株表现出染色体尺度的拷贝数变异，共检测到121个染色体拷贝数增加或缺失事件。这些事件的绝大多数断点均位于着丝粒区域的靶点附近，表明CECV诱导的断裂并非随机发生，而是高度依赖靶向切割。此外，单株涉及的变异染色体最多达11条，展现了该技术同时编辑多条染色体的强大能力。

在此基础上，为探究CECV诱导染色体变异的遗传与核型多样化特征，研究进一步对556个T1代植株进行了分析。结果表明，T1植株展现出涉及几乎所有染色体臂或整条染色体的获得、缺失、等臂染色体、易位及其他复杂变异的非整倍体。这些变异既有能够跨世代稳定遗传的，也有在传代过程中由于非整倍体不稳定而新产生的。

更重要的是，研究共鉴定出涉及21条染色体的60种易位事件，其中单株内的易位最多涉及 7 条染色体，创制了包含平衡易位和非平衡易位在内的多种新型遗传材料，且部分变异能够稳定遗传。这表明CECV能够高效诱导广泛的染色体臂间易位，为重塑染色体结构和连锁关系提供了新的技术途径。进一步研究发现，新形成的易位染色体能够通过CENH3重新分布及局部染色质重塑建立功能性着丝粒，从而实现稳定传递。此外，转录组分析表明，平衡易位株系仅表现出极小的转录扰动，且差异基因未在易位染色体上显著富集；相比之下，伴随剂量失衡的非平衡易位则引起了广泛的转录重编程，大量差异基因富集于拷贝数异常的染色体上。同时，两种代表性易位株系在常规生长条件下仍表现出正常的生长和发育，表明六倍体小麦基因组对染色体重排具有较强的缓冲能力。

综上所述，该研究通过靶向着丝粒编辑，建立了多染色体协同重塑的新策略，揭示了着丝粒应对染色体断裂重连的功能可塑性，为作物染色体核型设计、基因组工程化改造及新种质创制提供了重要技术支撑。

CECV策略的潜在应用

华中农业大学苏汉东教授、中国农业大学小麦研究中心宗媛教授、倪中福教授以及中国科学院遗传与发育生物学研究所王延鹏研究员为该论文的共同通讯作者。中国农业大学小麦研究中心博士生周希萌、华中农业大学博士生陈怡倩、中国农业大学小麦研究中心博士生李晨阳以及中国科学院遗传与发育生物学研究所滕婉副研究员为该论文的共同第一作者。中国农业大学小麦研究中心孙其信院士、辛明明教授、郭伟龙教授以及华中农业大学鄢文豪教授对该工作进行了指导和帮助。该研究获国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目资助。

【英文摘要】Engineering karyotypes could expand the genetic and breeding potential of crops, but restructuring gigabase-scale polyploid genomes remains challenging. Here we develop centromere editing-mediated chromosomal variation, a strategy using CRISPR–Cas9 to target abundant centromeric retrotransposons in hexaploid wheat. Centromere editing-mediated chromosomal variation efficiently induces simultaneous chromosome cleavage across the genome, generating diverse karyotypic variants and reconfiguring up to 11 chromosomes in one generation. Notably, it produces widespread reciprocal translocations, with one line carrying six events involving seven chromosomes. Newly formed translocation chromosomes undergo centromere remodelling, enabling their relatively stable maintenance and heritable transmission. Moreover, balanced translocations impose minimal transcriptional perturbation and maintaining normal growth. These results establish centromeres as effective sites for chromosome engineering breeding and provide a scalable framework for karyotype redesign in polyploid crops.