如果说基因组是物种的“生命蓝图”，那么着丝粒（Centromere）就是确保这张蓝图在细胞分裂时准确传递给后代的“核心引擎”。着丝粒是染色体上最关键的区域之一，负责在细胞分裂时牵引染色体移向两极。它通常由特定的重复序列和一种特殊的组蛋白（CENH3）组成。CENH3 的精准加载定义了着丝粒的核心功能区，在维持基因组稳定性和决定染色体核型方面发挥着至关重要的作用。
以往在小麦、玉米等单子叶植物中的研究发现，即便经历多倍化或杂交，CENH3 的定位通常表现出与供体亲本一致。然而，近期在棉花等双子叶植物中的研究发现，二倍体祖先的 CENH3 结合区在四倍体中发生了位置转移。这些研究表明，双子叶植物在着丝粒的进化与传递方面，可能存在着异于单子叶植物的调控机制。作为双子叶豆科作物的典型代表，大豆经历了从多年生到一年生、从野生种向栽培种的复杂过程，其丰富的遗传背景为我们观察着丝粒如何演化提供了重要基础。从澳洲的多年生野生大豆到中国驯化的一年生栽培大豆，着丝粒的DNA序列发生了什么变化？当不同大豆品种杂交，或者形成多倍体时，这个“引擎”的位置和结构会保持不变，还是会发生剧烈重塑？
近日，生命科学学院王应祥团队在Genome Biology（中科院一区Top期刊，影响因子16.3）在线发表了题为“Centromere evolution in annual and perennial soybeans and its implication for hybridization in cultivated species”的研究论文。该研究系统揭示了多年生与一年生大豆着丝粒在重复序列上的剧烈更替，并报道了大豆多倍体和种内杂交种中存在多种着丝粒重定位现象。这项研究不仅补充了我们对植物着丝粒演化的认知，更为大豆育种提供了全新的视角。
打破传统认知：大豆着丝粒特异性序列的剧烈更替（Turnover）
传统观点认为着丝粒区域在演化中相对保守。研究通过对3个一年生野生豆、9个一年生农家种、16个一年生栽培种以及5个多年生大豆品种的深度解析发现，多年生与一年生大豆的着丝粒CENH3结合的特异序列发生了根本性分化。多年生大豆着丝粒区域以逆转录转座子为主（占比可达70%），其中CENH3结合的特异逆转录转座子序列（CRS）占比不到6%。一年生大豆着丝粒区域包含大量串联重复序列（CentGms），CENH3结合的CentGms可达着丝粒区域的40%。两者的着丝粒特异序列之间相似度低，交流极少，显示出多年生与一年生大豆在着丝粒演化的相对独立性。此外，多年生大豆着丝粒富集了更多与“外部刺激”和“金属离子响应”相关的基因。这种剧烈的序列更替与功能分化，揭示了大豆在不同生存环境与演化压力下，着丝粒序列组成发生的适应性演变。
高频重定位：异源四倍体多年生野生大豆中着丝粒“大迁移”
对异源四倍体野生大豆（DDAA）及其二倍体祖先（DD/AA）比较发现在多年生四倍体大豆中着丝粒重定位（Repositioning）的频率高达35%，表明多倍化并非简单的基因组加倍，也是一场剧烈的着丝粒动态重组过程。这种高频次的“引擎移位”尚未报道。这种移位伴随着特定DNA甲基化水平的降低，可能是为了适应多倍化后的基因组稳定性需求。为理解多倍体物种如何通过着丝粒重塑维持染色体稳定提供了重要证据。
独特的“偏爱”：杂交后代中着丝粒定位的不对称遗传
为了探究育种杂交过程中着丝粒的遗传稳定性，研究团队对9个杂交组合的F1代及其亲本进行系统分析，发现CENH3在杂交后代的加载并非简单的亲本继承，而是呈现出高度动态且多样化的模式。在杂交F1代中，CENH3的加载表现出维持、减少、消失及增加等多种状态。甚至在某些情况下，杂交后代会在父母都没有着丝粒的新位置上，组装出全新的功能性着丝粒。令人意外的是发现了显著的“亲本偏向性”加载现象：在某些杂交组合中，后代的着丝粒会表现出明显的“父系偏向”或“母系偏向”。特定品种表现出极强的诱导能力，能让杂交后代的着丝粒更多地模仿它的模式。这说明大豆杂交不仅仅是基因的简单相加，着丝粒层面的表观遗传重塑可能在杂交种的形成中扮演了关键角色。
综上所述，在进化层面，该研究证实了多年生和一年生大豆之间，着丝粒特异序列发生了从“逆转录转座子”向“串联重复序列”的变化，打破了其演化保守的传统认知；在多倍化层面，发现了高达 35% 的高频着丝粒重定位现象，揭示了着丝粒重塑可能是维持多倍体染色体稳定的关键；在杂交育种层面，明确了杂交后代中 CENH3 的重塑与“亲本偏向性”加载，为理解着丝粒染色质在跨代传递中的多样性以及单倍体诱导中亲本选择提供依据。
生命科学学院博士研究生侯佳敏、韦燕妮、刘慧和庄柏然为论文共同第一作者，刘亚林教授与王应祥教授为共同通讯作者。刘亚林教授近年来致力于研究生殖发育中染色质调控，围绕DNA甲基化和着丝粒组蛋白CENH3定位的重塑，取得主要进展以第一作者(含共同)发表在Cell、Plant Cell、PNAS等杂志。
山东农业大学张大健教授参与了该工作，该研究得到了崖州湾国家实验室田志喜教授、遗传与发育研究所韩方普研究员的指导，受到国家自然科学基金、广东省高等学校未来作物精准育种基础研究卓越中心、岭南现代农业科学与技术广东省实验室、广东省珠江创新团队项目支持。
相关论文链接：https://doi.org/10.1186/s13059-026-04036-8
文图/生命科学学院
