着丝粒是真核生物染色体的重要结构，其功能异常通常会导致细胞分裂时染色体无法正确分离，进而影响植物的生长和发育。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，通过对CENH3的编辑，已成功在拟南芥、玉米和小麦等植物上实现了单倍体诱导，揭示了在植物育种中着丝粒研究的潜在价值和重要性。此外，着丝粒也是人工合成染色体不可或缺的组成部分。因此，对着丝粒结构和功能的深入解析不仅是染色体生物学领域亟待解决的基础科学问题，也是未来合成生物学发展的必然方向。

着丝粒区域重复序列的组成和排布在着丝粒结构和功能中的作用是着丝粒研究领域的难点和热点，也是基因组测序组装最难完成的染色体区域。近年来，人类、拟南芥、水稻等染色体着丝粒的组装，给麦类着丝粒的序列组成及功能研究带来希望。如何精细进行植物着丝粒的序列和功能解析是我们的长期研究目标。

黑麦是小麦的近缘种，具有突出的抗寒、抗逆和耐旱能力，同时黑麦中含有很多优良的抗病基因，是改良普通小麦产量、抗病性和抗逆性的重要基因资源。1B/R易位系的成功应用给小麦育种带来辉煌，现在还在用这个fusion centromere（Liu et al, 2023, New Phy）。本实验室也建立新的1B/1R易位系（wang et al, 2017 Plant Journal）及发现新的高抗Ug99抗病基因在3RL上（Liu et al, TAG,2022）然而，由于黑麦为异花授粉作物，且基因组庞大(约7.9 GB)，超过90%的序列为重复序列，黑麦的遗传学与表观遗传学研究远落后于其它谷类作物。目前，黑麦着丝粒的序列组成、结构和功能在很大程度上还是未知的。

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。研究组围绕着丝粒序列组成及进化机制，着丝粒染色质形成和失活机制，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(2013,2015,2021,2022,2023a,2023b), Plant Cell(2013a,2013b,2019,2020a,2020b), Genome Research(2021), PLoS Biology(2020), New Phytol (2014,2017,2023), SCIENCE CHINA Life Sciences (2024), Plant J(2012,2016,2017a,2017b,2019), J Exp Bot(2021), PLoS Genet(2016)]。近期，我们详细进行黑麦着丝粒的序列、结构及功能分析。利用可以识别黑麦着丝粒特异组蛋白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)，确定黑麦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)，鉴定了黑麦着丝粒区特异重复序列，发现黑麦着丝粒区主要由5种类型的反转座子和微卫星序（minisatelite）列组成, 4类retrotransposon是发现，第一次详细解析minisatelite 的发现过程及分布特点。意外发现：年轻的反转座子倾向于保留在核心着丝粒区，而小卫星序列来源于反转座子，相似性较高的小卫星序列更容易与CENH3核小体结合（图1）。

图1：黑麦着丝粒主要由反转座子和小卫星序列组成

为了探究着丝粒区重复序列以何种方式在着丝粒区发挥功能，我们发现着丝粒区反转座子CRS1、CRS2和CRS3在LTR区容易形成R-loop，且该区域存在CENH3核小体富集。R-loop主要富集在黑麦着丝粒和近着丝粒区，且CENH3核小体结合区域更容易形成R-loop结构。R-loop选择性地形成在黑麦着丝粒的CENH3核小体结合区域，表明其可能在调控CENH3精确加载到着丝粒中而发挥作用，推测有助于着丝粒身份的确定（图2）。本研究阐明了黑麦着丝粒的序列组成、结构和潜在功能，为研究着丝粒形成位置的决定因素及着丝粒的结构和功能提供了新的视角，有助于深化对黑麦着丝粒遗传学和表观遗传学的理解。

图2：黑麦着丝粒序列组成及结构特征模式图

该项研究于2024年4月15日在线发表于SCIENCE CHINA Life Sciences (DOI:10.1007/s11427-023-2524-0)，韩方普研究组已毕业博士研究生刘畅、四川农业大学符书兰教授、实验室在读博士生易从杨为该文章的共同第一作者，韩方普研究员为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金委重大项目和重点国际合作项目的资助。