JIPB | 超级泛基因组助力水稻着丝粒结构和功能研究

近日，基因组所联合崖州湾国家实验室、中国水稻研究所等单位在《植物学报（Journal of Integrative Plant Biology）》(IF=11.4)上在线发表了题为“A centromere map based on super pan-genome highlights the structure and function of rice centromeres”的研究论文，该研究基于水稻超级泛基因组构建了目前群体规模最大的水稻泛着丝粒图谱，为水稻着丝粒进化模式和着丝粒基因挖掘提供了新见解。

着丝粒是真核生物染色体的重要功能结构，在细胞有丝分裂和减数分裂过程中，着丝粒保障染色体正确分离和传递（Cheng et al., Plant Cell, 2002）。大多数植物的着丝粒由卫星重复序列、转座子和少数基因组成，高度复杂的重复序列对其精确组装和功能解析带来了挑战，极大阻碍了对着丝粒结构、特征和功能的研究。目前，对植物着丝粒基因组学的研究主要集中于特定个体或小群体规模，缺乏对该区域的大规模群体分析，这对于全面了解它们的结构、进化和功能至关重要。因此，构建高质量的泛着丝粒图谱对水稻着丝粒区域的生物学功能研究具有重要意义，包括细胞分裂、作物驯化、重组抑制、新基因的出现等等。

图1 水稻泛着丝粒图谱构建和着丝粒基因挖掘

该研究基于水稻完整参考基因组（Shang et al., Molecular Plant, 2023）和251份水稻的超级泛基因组（Shang et al., Cell Research, 2022）构建了一个高质量的着丝粒图谱，首次在群体水平上揭示了水稻着丝粒重复序列长度和序列的多样性, 分析了着丝粒重复序列在水稻亚群之间的特征，进一步探究了水稻着丝粒在不同染色体间可能具有不同的进化模式。在群体水平上分析了水稻着丝粒区域LTR的多样性，Gypsy LTR的基因组分布模式以及其在着丝粒的形成和进化中的起到了关键作用，尤其是年轻的Gypsy LTR。结合泛基因组数据，在12号染色体的着丝粒区发现了一个新基因OsMAB，该基因正向调节水稻分蘖数，并且使用CRISPR/Cas9进一步验证了这一发现。

总的来说，该研究构建大规模的、高质量的水稻泛着丝粒图谱，为理解水稻着丝粒的结构、进化和功能提供了重要依据。

中国农业科学院深圳农业基因组研究所商连光研究员、中国水稻研究所郭龙彪研究员和崖州湾国家实验室钱前院士为论文的共同通讯作者。博士研究生吕阳、硕士研究生刘聪聪、博士研究生李笑霞和王月影为论文的共同第一作者。该研究得到国家自然科学基金基础科学中心、广东省自然科学基金杰出青年基金、中国农科院青年创新专项资金资助。

原文链接：https://doi.org/10.1111/jipb.13607

商连光课题组介绍

商连光研究员在水稻基因组及优异自然变异挖掘与利用方面开展了系列研究，近年来围绕该方向在Cell Research（2022）、Molecular Plant （2020，2021，2023）、Nucleic Acids Research (2023)、Trends in Plant Science（2022）、Science Bulletin（2023）、New Phytologist（2020）、Plant Biotechnology Journal （2021）、Journal of Integrative Plant Biology（2023，2024）等刊物上发表系列论文。

参考文献：

1. Zhukuan Cheng, Fenggao Dong, Tim Langdon, Shu Ouyang, C. Robin Buell, Minghong Gu, Frederick R. Blattner, Jiming Jiang. Plant Cell, 2002, 14: 1691-1704.

2. Lianguang Shang, Wenchuang He, Tianyi Wang, Yingxue Yang, Qiang Xu, Xianjia Zhao, Longbo Yang, Hong Zhang, Xiaoxia Li, Yang Lv, Wu Chen, Shuo Cao, Xianmeng Wang, Bin Zhang, Xiangpei Liu, Xiaoman Yu, Huiying He, Hua Wei, Yue Leng, Chuanlin Shi, Mingliang Guo, Zhipeng Zhang, Bintao Zhang, Qiaoling Yuan, Hongge Qian, Xinglan Cao, Yan Cui, Qianqian Zhang, Xiaofan Dai, Congcong Liu, Longbiao Guo, Yongfeng Zhou, Xiaoming Zheng, Jue Ruan, Zhukuan Cheng, Weihua Pan, Qian Qian. A complete assembly of the rice Nipponbare reference genome. Molecular Plant, 2023, 16:1232-1236.

3. Lianguang Shang, Xiaoxia Li, Huiying He, Qiaoling Yuan, Yanni Song, Zhaoran Wei, Hai Lin, Min Hu, Fengli Zhao, Chao Zhang, Yuhua Li, Hongsheng Gao, Tianyi Wang, Xiangpei Liu, Hong Zhang, Ya Zhang, Shuaimin Cao, Xiaoman Yu, Bintao Zhang, Yong Zhang, Yiqing Tan, Mao Qin, Cheng Ai, Yingxue Yang, Bin Zhang, Zhiqiang Hu, Hongru Wang, Yang Lv, Yuexing Wang, Jie Ma, Quan Wang, Hongwei Lu, Zhe Wu, Shanlin Liu, Zongyi Sun, Hongliang Zhang, Longbiao Guo, Zichao Li, Yongfeng Zhou, Jiayang Li, Zuofeng Zhu, Guosheng Xiong, Jue Ruan, Qian Qian. A super pan-genomic landscape of rice. Cell Research, 2022, 32(10):878-896.