着丝粒是维持染色体正确分离与遗传稳定的关键区域。在大多数植物中，经典着丝粒主要由大量的长末端重复反转录转座子(LTR-RTs)和卫星重复序列(satellite)组成，活性着丝粒通常以组蛋白H3变体CENH3作为标志进行鉴定。然而，当染色体发生断裂时，细胞如何在缺乏着丝粒经典序列的情况下，快速建立新的功能性着丝粒并保障染色体稳定遗传，这一机制仍是遗传与进化生物学中尚未解决的重要问题。

 

    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。实验室前期在玉米中发现了大量由于着丝粒错分裂或染色体结构变异导致的不依赖于着丝粒重复序列的新着丝粒和双着丝粒的形成(Fu et al., PNAS, 2013; Zhang et al., Plant Cell, 2013; Liu et al., PNAS, 2015; Liu et al., 2020, Plant Cell)。此外，对大豆泛着丝粒的研究揭示了频繁的着丝粒重定位现象。着丝粒重定位是指在不发生DNA序列重排的情况下，染色体上出现新的着丝粒形成位点。研究发现，新着丝粒倾向于在原着丝粒附近区域产生，并且在亲缘关系较远的不同材料中，新着丝粒常出现在相同染色体位置。这说明这些新着丝粒是独立发生的，同时也表明某些特定染色体区域可能具有易于形成新着丝粒的倾向 (Liu et al., PNAS, 2023)。

 

    实验室近期以小麦-大麦7HS**端体附加系(2n=44)为模型，通过染色质免疫共沉淀并结合二代测序的方法(ChIP-seq)，确定了大麦新着丝粒的位置和大小 (图1 A-B)。同时通过生物信息学分析结合荧光原位杂交技术(FISH)，在大麦着丝粒区鉴定出一类新的微卫星序列CentHv7 (TTGTTGT)n。并对大麦着丝粒序列与新着丝粒序列进行了详细的比较分析(图 1C-D, F)，发现新着丝粒形成虽然不依赖于经典着丝粒序列，但某些特定重复序列的存在 (如CentHv7微卫星序列)可能促进CENH3的定位和新着丝粒的稳定(图1 E)。

图1 大麦7H着丝粒与新着丝粒序列特征比较分析

 

    研究进一步发现，与大多数植物不同，大麦着丝粒区及近着丝粒区存在大量连续的富集的R-loops(图2 A-C), S9.6免疫荧光结果显示在7HS**新着丝粒区也存在明显的R-loop富集(图2D)。进一步分析新着丝粒区R-loop发现新着丝粒区表达上调的SMC1 (Structural maintenance of chromosomes 1)基因第11 和12个外显子处形成了新的R-loop，并且伴随着H3K4me3和H3K27me3的二价染色质状态(图2 E)。这种特殊的DNA二级结构以及表观特征可能改变了此区域的染色质状态，从而为CENH3的定位提供了适宜的环境。这意味着在自然基因组中，富含特定重复或易于形成非B型DNA结构的区域，可能在染色体不稳定事件发生时成为CENH3定位及新着丝粒形成的“热点”。

图2 新着丝粒区域特殊的染色质环境利于新着丝粒的形成和稳定

 

    此项研究不仅深化了对着丝粒可塑性及进化动力的认知，也为人工染色体设计与作物基因组工程提供了新思路：通过模拟染色体断裂与表观重编程过程，有望实现着丝粒的定向构建与染色体改造。

 

    该项研究于2025年12月31日在线发表于The Plant Journal (https://doi.org/10.1111/tpj.70651)。中国科学院遗传发育所刘阳副研究员和韩方普研究员为本文共同通讯作者。韩方普研究组博士生祝聪乐、博士后刘倩和易从杨为该文章共同第一作者。该研究得到了农业农村部重大专项和国家自然科学基金委重大项目的资助。