多倍化事件在植物界普遍存在，它主要是由物种间的全基因组加倍或杂交产生。多倍化被认为是植物物种多样性的主要驱动力，在植物基因组进化中具有重要意义。普通小麦(Triticum aestivum)的基因组由三个亚基因组(A, B和D)组成，其基因组的形成涉及三个祖先种的两次远缘杂交和异源多倍化过程，是研究染色体多倍化进程的重要模式材料。然而小麦的基因组巨大，且重复序列含量丰富，为小麦的研究带来了巨大的困难。前期对小麦着丝粒的研究，发现了两类着丝粒特异的重复序列，且在多倍化过程中小麦着丝粒结构发生重排，基因位置和表达水平发生变化，序列的遗传多样性增加 (Su et al., Plant Cell, 2019)。

生物体中除了典型的DNA B型双螺旋结构，还存在其他多种构象，如R-loop、G-四链体、十字结构、滑移/发夹结构、左手螺旋的Z-DNA等，也被称为非B型DNA结构（non-B-form DNA）。这些non-B-form DNA与基因表达、DNA复制、双链断裂、端粒维持和突变等生物学过程密切相关。有研究表明，non-B-form DNA倾向于在植物和动物着丝粒区域富集，暗示其在着丝粒区可能发挥着重要作用。在小麦多倍化过程中，着丝粒DNA经历了快速重排，然而，目前尚不清楚DNA序列变化所导致的构象变化对小麦多倍化的形成和进化有何影响。

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的遗传和表观遗传学研究。前期在燕麦着丝粒研究中，发现从二倍体、四倍体到六倍体的进化过程中，着丝粒区non-B-form DNA动态变化(Liu et al., PNAS, 2022)。此外，还发现有活性的黑麦来源的1RS着丝粒含有更高比例年轻的反转座子和更稳定的non-B-form DNA(Liu et al., New Phytologist, 2023)

为了进一步研究non-B-form DNA在多倍化过程中的作用，该研究组以小麦作为研究对象进行分析，发现non-B-form DNA倾向于在小麦的着丝粒区域富集，且主要是A-phased repeat, Direct repeat和Mirror repeat三类non-B-form DNA。研究人员发现小麦着丝粒上的non-B-form DNA密度在不同亚基因组中有明显差异，其中A亚基因组最高，D亚基因组最少。通过分析不同倍性小麦的CENH3 ChIP-seq数据来预测其二级结构时，研究发现六倍体小麦的着丝粒区域形成non-B-form DNA的倾向性更强。此外，对新合成的多倍体小麦的着丝粒DNA进行比较分析，结果显示它们与其亲本相比，也更倾向于形成非B形态DNA（图1）。

图1：Non-B-form DNA倾向于在新和合成小麦的着丝粒区域富集

A, Non-B-form DNA在三个亚基因组中的富集特征；B, 三个亚基因组中不同区域non-B-form DNA的变异系数；C，不同亚基因组中non-B-form DNA形成可能性的累积分布；D，不同倍性小麦的non-B-form DNA的形成概率差异；E, 亲本与新合成小麦的着丝粒区域non-B-form DNA的可能性差异。

此外，为了进一步探究着丝粒和non-B-form DNA的关系，研究人员识别了着丝粒区域的全长反转座子（fl-LTRs），并发现non-B-form DNA倾向于在反转座子的两端LTR区域富集，且年轻的反转座子倾向于有更多的non-B-form DNA （图2），这些结果表明non-B-form DNA在着丝粒功能的进化和维持中可能发挥着潜在的作用。

图2：Non-B-form DNA倾向于富集在年轻的着丝粒LTRs上

A， 着丝粒LTR和随机区域的non-B-form DNA形成概率分布特征；B，三种类型non-B-form DNA在全长LTRs上的分布；C，LTRs插入时间和non-B-form DNA密度的相关性。

该项研究以《Non-B-form DNA is associated with centromere stability in newly-formed polyploidy wheat》为题于2024年02月04日在线发表于SCIENCE CHINA Life Sciences (DOI:10.1007/s11427-023-2513-9)，韩方普研究组博士研究生易从杨，刘倩博士和已毕业博士生黄宇虹为共同第一作者，韩方普研究员和刘阳副研究员为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金重大项目和国家重点研发计划项目的资助。