Plant J精选 | 大叶杨单倍型T2T基因组揭示着丝粒演化机制
着丝粒是染色体分离的重要结构，其序列和组成在不同植物中差异显著。除卫星重复序列外，转座元件（TEs）在着丝粒结构中也发挥关键作用。虽然模式植物研究较多，但多年生树种如杨树的着丝进化机制仍不清楚。随着长读长测序和 Hi-C 技术的发展，端粒到端粒（T2T）组装为解析植物着丝粒结构与演化提供了新契机。
南京林业大学的科研团队于2025年9月29日在期刊The Plant Journal上发表了一篇题目为“Haplotype-resolved telomere-to-telomere genome assembly of Populus lasiocarpa unveils retrotransposon-driven centromere evolution”的研究论文，组装出大叶杨高质量T2T级基因组组装，并进一步研究着丝粒的结构和演化，为植物基因组进化提供了新的见解。
一、PLAS 着丝粒的完整组装
本研究针对大叶杨Populus lasiocarpa进行T2T高质量基因组组装及着丝粒精确解析。通过整合PacBio HiFi、ONT超长读段、Illumina短读段和Hi-C数据，获得了单倍型分型的二倍体基因组，总长约881.7 Mb，包含38条染色体，其中36条实现端粒到端粒组装。基于CENH3 ChIP-Seq数据共鉴定出38个功能性着丝粒，除Chr08和Chr14因高密度45S rDNA阵列导致短臂不完整外，其余均完整。两单倍型的N50分别为23.3 Mb和24.5 Mb，BUSCO完整性超过99%，表明组装质量卓越。
甲基化与重复序列分析表明， TEs占基因组一半以上，着丝粒区域显著富集RLG/RIL类反转录转座子，并在CG、CHG和CHH位点表现出高甲基化状态。与模式植物富卫星DNA的着丝粒不同，大叶杨着丝粒主要由转座序列构成。基因注释共识别约3.6万个蛋白编码基因，BUSCO完整性达97.8%以上，其中数百个基因在着丝粒区具有较高表达活性。
图1：PLAS单倍型基因组的组装和注释
表1：单倍型阶段PLAS基因组的基因组组装和注释统计
二、PLAS着丝粒的定位和大小
本研究在大叶杨中实现了全部38个功能性着丝粒的精确定位，确认其为典型的单着丝粒型植物。所有着丝粒均被ONT超长读段完整覆盖，在hap1和hap2中的平均长度分别为553 kb和544 kb。根据染色体臂比，大叶杨染色体可分为端着丝粒型、近端着丝粒型、中近着丝粒型和中着丝粒型，同源染色体对在两单倍型间具有高度一致的臂比值，表现出出高度保守的结构特征。着丝粒内部由交错分布的CENH3与H3富集区构成，呈镶嵌状结构，体现出反转录转座子富集型着丝粒的保守组织模式。此外，卫星与微卫星重复序列在功能性着丝粒中几乎缺失，而主要分布于近着丝粒区。在功能性着丝粒中共识别出749个蛋白编码基因，其中约115个在至少一种组织中具有活跃表达，主要参与光合作用、脂肪酸合成和过氧化物酶体功能，功能性着丝粒基因的DNA甲基化水平显著高于常染色体臂。
图2：PLAS着丝粒的定位
三、PLAS着丝粒表观遗传特征
作者进一步探究了着丝粒的表观遗传特征，结果显示着丝粒区域相较染色体臂具有显著的DNA高甲基化，是跨物种保守的特征。在全部38条染色体的H3染色质区中，RLG与RIL反转录转座子形成嵌套TE阵列，而这些区域缺乏CENH3核小体结合。嵌套TE的侵入会降低DNA甲基化水平，破坏原有甲基化模式。研究表明，CENH3结合主要受表观遗传状态而非序列控制，且其信号与甲基化水平相关性较弱，说明组蛋白修饰等其他表观机制亦在CENH3结合中发挥重要作用。
图3：PLA着丝粒的结构结构
四、杨属着丝粒的比较分析
作者进一步结合已发表的毛果杨Populus trichocarpa的T2T单倍型组装，对杨属植物着丝粒进行了高精度比较分析。结果显示，毛果杨与PLAS在着丝粒大小、染色质结构（交错分布的CENH3/H3区域）及转座元件组成（以RLG/RIL反转录转座子为主，缺乏卫星重复序列）方面高度相似，表明二者在表观遗传和功能层面具有显著保守性。尽管整体结构相似，但两者的着丝粒DNA序列存在显著分化，不同染色体间的相似性差异与嵌套型RLG/RIL转座子阵列密切相关。嵌套转座子的插入破坏序列完整性并促进着丝粒进化，而非嵌套型转座子无此不稳定效应。作者指出，嵌套反转录转座子的组织结构是驱动杨属着丝粒演化的重要因素。
图4：PLAS着丝粒的表观遗传景观
五、杨属着丝粒进化模型
作者进一步提出了“反转录转座子驱动的杨属着丝粒进化模型”。经典观点认为，TE富集型着丝粒代表进化的早期阶段，而卫星重复富集型着丝粒则是进化成熟的形态。在拟南芥中，KARMA机制通过清除入侵的ATHILA转座子，促进高阶卫星重复的扩增，从而形成稳定的着丝粒结构。与此相比，杨属着丝粒以RLG/RIL类反转录转座子为主，体现了从TE富集向TR主导过渡的早期阶段。该模型认为，自主型TE的持续转座扰乱DNA甲基化与组蛋白修饰，削弱CENH3的结合能力，进而诱导嵌套TE阵列的扩张；这一过程可能导致原有着丝粒失活并激活潜在位点形成新生着丝粒，而富含TE/TR且甲基化水平较高的近着丝粒区域成为新生着丝粒形成的“热点区域”。TR富集型着丝粒可通过KARMA机制持续清除TE，逐步演化为稳定的单中心卫星结构；而TE富集型着丝粒则经历反复的“失活-重建”循环，最终在TR富集区形成新的中心。该模型揭示了着丝粒功能稳定而序列快速更替的进化悖论，并指出反转录转座子与卫星重复之间长期“拉锯式”动态平衡在染色体结构进化与核型多样性形成中的关键作用。
图5：反转录转座子驱动着丝粒进化模型
结语
本研究完成了杨树T2T单倍型基因组的组装，重点分析了其着丝粒区的进化机制。作者发现，杨树的着丝粒并不像其他模式植物那样富含卫星DNA，而是由反转录转座子主导，尤其是富含RLG和RIL，它们在功能性着丝粒区域内形成复杂的嵌套转座子阵列，破坏了其结构完整性并驱动了其进化。作者提出了一种反转录转座子驱动的着丝粒进化模型，认为自主反转录转座子的不断转座，通过表观遗传侵蚀使功能性着丝粒不稳定，从而触发新着丝粒的形成。这些新着丝粒通常在富含转座子和串联重复的近着丝粒区域形成，并且可能随着反转录转座子的再度入侵而不断发生变动。本研究提出了一个着丝粒模式新的视角，强调了反转录转座子在植物基因组演化中的关键作用，促进了对杨树以及其他植物着丝粒多样性的深刻理解。
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