中科院遗传所韩方普PLOS小麦新成果

4月25日，国际权威学术期刊《PLOS Genetics》在线发表了中科院遗传与发育生物学研究所和四川农业大学的一项最新研究成果。这项研究的通讯作者是中科院遗传与发育生物学研究所的韩方普研究员，四川农业大学的付书兰博士也是本文共同作者。

　　

生物通报道：4月25日，国际权威学术期刊《PLOS Genetics》在线发表了中科院遗传与发育生物学研究所和四川农业大学的一项最新研究成果，题为“De Novo Centromere Formation and Centromeric Sequence Expansion in Wheat and its Wide Hybrids”。这项研究的通讯作者是中科院遗传与发育生物学研究所的韩方普研究员，四川农业大学的付书兰博士也是本文共同作者。

韩方普研究员博士毕业于东北师范大学遗传与细胞研究所，1998年至2001年在以色列Weizmann研究所从事小麦多倍体基因组进化方面的博士后研究，2001年至2008年相继在加拿大农业部和美国密苏里大学哥伦比亚分校从事研究工作。2009年入选中科院“****”，其研究组主要从事小麦和玉米功能基因组、小麦染色体工程育种及植物人工染色体研究。

近年来，韩方普带领的课题组在植物新着丝粒形成及表观遗传学研究取得了一系列进展。2013年3月，韩方普研究员带领的研究小组在《PNAS》杂志上发表的一项研究中，利用玉米三号染色体特殊材料，发现来自玉米三号染色体的片段可以稳定遗传并没有检测到玉米着丝粒的重复序列，但具有着丝粒功能分子标记如CENH3和CENPC以及组蛋白磷酸化的信号（遗传所韩方普研究组PNAS取得表观遗传学研究进展）。同年，韩方普实验室以玉米减数分裂突变体及含有双着丝粒染色体的植株为材料，发现着丝粒配对先于端粒的bouquet并在同源染色体配对其重要作用。这一研究成果公布在Plant Cell杂志上（遗传所863项目发表Plant Cell文章）。2015年4月，韩方普研究员与美国密苏里大学的科学家们，在《PNAS》杂志上发表文章，向人们展示了染色体片段上发生的着丝粒从头形成（中科院遗传所PNAS发表表观遗传学新成果）。

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着丝粒通常包含串联重复序列，但是着丝粒的功能并不一定取决于这些序列。在《PLOS Genetics》这项研究中，韩方普带领的研究小组，在小麦非整倍体（Triticum aestivum）及小麦野生杂种的后代中，确定了在小麦着丝粒还原转座子（CRW）含量上有着显著数量变化的功能性着丝粒。在一些小麦端二体（ditelosomic）品系和来自野生杂种的其他品系中，CRW信号大大减少或基本上缺失。在这些品系中，CRW序列的总缺失（而不是CENH3的存在），表明着丝粒被从头形成。在小麦及其远缘杂种（其携带大量复杂的基因组或没有被测序的基因组）中，该研究小组单独进行了CENH3-ChIP-dot-blot方法，或结合使用CENH3-ChIP-seq，确定了存在于新着丝粒上的异位基因组序列。

此外，已确定的DNA序列的转录本，在新的着丝粒上是显著增加的，从而表明相应序列的转录本可能与着丝粒从头形成有关。研究人员在wheat-Th. Elongatum杂种株系中观察到，稳定的异源染色体具有两到三个包含CRW序列的区域，这是由着丝粒断裂诱导的，但只有一个是功能性的着丝粒。在小麦-黑麦(Secale cereale)杂种中，黑麦着丝粒特异性序列沿着染色体臂传播，并可能引起了着丝粒扩张。通过染色体重排在着丝粒序列中频繁而显著的定量变化，在小麦远缘杂交中已经有过系统地描述，这可能影响外源染色体在杂种中的保留或者缺失。因此，着丝粒在远缘杂交中的行为，可能在生物多样性的产生过程中，有着重要的影响，这最终对物种形成有一定的影响。

（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：
De Novo Centromere Formation and Centromeric Sequence Expansion in Wheat and its Wide Hybrids
Abstract: Centromeres typically contain tandem repeat sequences, but centromere function does not necessarily depend on these sequences. We identified functional centromeres with significant quantitative changes in the centromeric retrotransposons of wheat (CRW) contents in wheat aneuploids (Triticum aestivum) and the offspring of wheat wide hybrids. The CRW signals were strongly reduced or essentially lost in some wheat ditelosomic lines and in the addition lines from the wide hybrids. The total loss of the CRW sequences but the presence of CENH3 in these lines suggests that the centromeres were formed de novo. In wheat and its wide hybrids, which carry large complex genomes or no sequenced genome, we performed CENH3-ChIP-dot-blot methods alone or in combination with CENH3-ChIP-seq and identified the ectopic genomic sequences present at the new centromeres. In adcdition, the transcription of the identified DNA sequences was remarkably increased at the new centromere, suggesting that the transcription of the corresponding sequences may be associated with de novo centromere formation. Stable alien chromosomes with two and three regions containing CRW sequences induced by centromere breakage were observed in the wheat-Th. elongatum hybrid derivatives, but only one was a functional centromere. In wheat-rye (Secale cereale) hybrids, the rye centromere-specific sequences spread along the chromosome arms and may have caused centromere expansion. Frequent and significant quantitative alterations in the centromere sequence via chromosomal rearrangement have been systematically described in wheat wide hybridizations, which may affect the retention or loss of the alien chromosomes in the hybrids. Thus, the centromere behavior in wide crosses likely has an important impact on the generation of biodiversity, which ultimately has implications for speciation.