多倍化（polyploidization）是高等植物演化与物种形成的重要驱动力，也是植物基因组演化和新性状形成的重要机制。植物多倍化过程中，基因组结构、表观遗传修饰及染色体行为会发生广泛重塑。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该领域研究，取得了一系列重要进展（Guo et al., Plant Cell, 2015; Huang et al., Plant J, 2023; Huang et al., Genome Biology, 2025）。为理解多倍化过程中基因组稳定性维持及着丝粒进化机制提供了重要线索。

 

    实验室前期研究表明，多种非B型DNA结构在麦类作物多倍化过程中具有重要功能（Liu et al., PNAS, 2023; Liu et al., New Phytol, 2023; Yi et al., Sci. China Life Sci, 2023）。其中，R-loop作为一种新型非B型DNA结构，由DNA:RNA杂交链和一条单链DNA（ssDNA）组成，广泛存在于动植物基因组中，在基因表达调控、端粒和着丝粒维持以及DNA损伤修复等过程中发挥重要作用。课题组此前在玉米、小麦、黑麦、燕麦中开展了大量R-loop相关研究，发现R-loop在麦类作物基因组中倾向富集于着丝粒区域，与CENH3核小体的分布密切相关（Liu et al., Genome Res, 2021; Liu et al., PNAS; Liu et al., Sci. China Life Sci, 2024）。然而，关于R-loop在植物基因组加倍及后续长期演化过程中的作用机制仍知之甚少。

 

    2026年6月2日，韩方普研究组在The Plant Journal在线发表了题为Sequence-directed R-loop formation coupled with DNA methylation reprogramming during polyploidization of Brachypodium的研究论文（DOI:10.1111/tpj.70957）。该研究以异源四倍体短柄草（Brachypodium hybridum）及其两个二倍体祖先种B. distachyon和B. stacei为研究材料，结合ssDRIP-seq、WGBS、ATAC-seq等技术，对R-loop形成、DNA甲基化及染色质开放性进行了系统比较分析。

 

    研究结果表明，R-loop在物种演化过程中具有较高的序列保守性，即使发生染色体易位和倒位等大的结构变异，R-loop形成模式仍总体保持稳定。同时，R-loop位点与SNP和Indel的分布高度相关，揭示R-loop在演化过程中可能促进基因组变异的积累。已有研究表明，R-loop可通过G4联体等结构抑制DNA甲基转移酶的活性，导致甲基化水平降低。然而，本研究通过比较二倍体与四倍体短柄草亚基因组中差异R-loop位点的DNA甲基化分布特征发现，CG、CHG和CHH类型的甲基化变化与R-loop的动态呈正相关，且不受正义链或反义链方向影响，表明R-loop对甲基化的抑制效应及其相关调控机制可能存在不同层面的作用机制。此外，R-loop中的单链DNA是诱发DNA损伤的重要因素，而由此引发的损伤修复可能会激活RNA指导的DNA甲基化（RdDM）途径，从而导致CG、CHG和CHH甲基化的协同变化。

 

    遗传发育所韩方普研究员和西北农林科技大学青年教授刘倩（原韩方普研究组博士后）为该论文的共同通讯作者，遗传发育所博士研究生张凯标和申莉莎助理研究员为共同第一作者。该研究得到了国家自然科学基金等项目的资助。