从澳洲的多年生野生大豆到中国驯化的一年生栽培大豆，着丝粒DNA序列发生了怎样的变化？不同大豆品种杂交或形成多倍体时，着丝粒的位置与结构是保持稳定，还是发生重塑？近日，华南农业大学生命科学学院教授王应祥团队系统揭示了多年生与一年生大豆着丝粒在重复序列上的剧烈更替，并报道了大豆多倍体和种内杂交种中存在的多种着丝粒重定位现象。相关成果在线发表于《基因组生物学》（Genome Biology）。

大豆作为双子叶豆科作物的典型代表，经历了从多年生到一年生、从野生种向栽培种的演化过程，遗传背景丰富，为观察着丝粒演化提供了理想模型。传统观点认为，着丝粒区域在演化中相对保守。

在国家自然科学基金等项目资助下，研究团队通过对3个一年生野生豆、9个一年生农家种、16个一年生栽培种及5个多年生大豆品种的深度解析发现，多年生与一年生大豆的着丝粒CENH3结合序列已发生根本性分化。多年生大豆着丝粒区域以逆转录转座子为主（占比可达70%），其中CENH3结合的特异逆转录转座子序列占比不足6%；一年生大豆着丝粒区域则富集大量串联重复序列（CentGms），CENH3结合的CentGms可占着丝粒区域的40%。二者着丝粒特异序列之间相似度低、交流极少，显示出相对独立的演化路径。此外，多年生大豆着丝粒区域富集了更多与“外部刺激”和“金属离子响应”相关的基因。这种序列组成与功能的分化，揭示了大豆在不同生存环境和演化压力下着丝粒发生的适应性演变。

对异源四倍体野生大豆（DDAA）及其二倍体祖先（DD/AA）的比较发现，多年生四倍体大豆中着丝粒重定位的频率高达35%，表明多倍化不仅是基因组的加倍，也伴随着高频率的着丝粒动态重组。这种高频“引擎移位”现象此前未见报道。移位伴随特定区域DNA甲基化水平的降低，可能是多倍化后维持基因组稳定性的一种适应机制。该发现为理解多倍体物种如何通过着丝粒重塑维持染色体稳定提供了重要证据。

为探究杂交育种过程中着丝粒的遗传稳定性，研究团队对9个杂交组合的F1代及其亲本进行系统分析，发现CENH3在杂交后代的加载并非简单的亲本继承，而是呈现高度动态且多样化的模式。在F1代中，CENH3的加载表现出维持、减少、消失及增加等多种状态，甚至在某些情况下，杂交后代可在父母本均无着丝粒的新位置上组装出完整的功能性着丝粒。

尤为突出的是，研究发现了显著的“亲本偏向性”加载现象：部分杂交组合中，后代着丝粒表现出明显的“父系偏向”或“母系偏向”，特定品种具有较强的诱导能力，可使杂交后代的着丝粒加载模式更倾向于模仿其自身。这表明大豆杂交不仅是基因的整合，着丝粒层面的表观遗传重塑在杂种形成中可能发挥关键作用。

综上，在进化层面，该研究证实多年生与一年生大豆之间着丝粒特异序列发生了从“逆转录转座子”向“串联重复序列”的根本性转变，打破了着丝粒区域演化保守的传统认知；在多倍化层面，发现了高达35%的高频着丝粒重定位现象，揭示着丝粒重塑可能是维持多倍体染色体稳定的关键机制；在杂交育种层面，明确了杂交后代中CENH3的重塑与“亲本偏向性”加载现象，为理解着丝粒染色质在跨代传递中的多样性以及单倍体诱导中亲本的选择提供了重要依据。

该研究丰富了植物着丝粒演化的认知，也为大豆育种提供了新视角。

相关论文信息：https://doi.org/10.1186/s13059-026-04036-8