着絲粒作為染色體重要的結構元件，從上個世紀三十年代發現之初，就被賦予了神秘的色彩。在過去的半個多世紀，随着細胞遺傳學、分子生物學、表觀遺傳學以及基因組測序工具的快速發展，逐漸揭開了着絲粒的黑洞。目前的觀點認為着絲粒參與染色體的正确行為和基因組三維結構的調控，與基因組的穩定性、核型進化和物種形成等密切相關。然而，對于植物着絲粒的認知則基本處于未知。
2022年6月20日，蘇漢東課題組在Plant Biotechnology Journal在線發表題為“Centromeres: from chromosome biology to biotechnology applications and synthetic genomes in plants”的綜述論文，系統總結了近二十年來植物着絲粒領域的研究進展，并闡述了操縱着絲粒在改變植物倍性、定向染色體工程育種以及合成生物學方面潛在的應用，提出植物着絲粒的生物技術應用将對未來作物遺傳改良、精準合成育種以及合成生命提供巨大助力。
論文首先從着絲粒序列組成、染色質組成和動粒蛋白組成等方面，系統梳理了着絲粒形成和維持的表觀調控研究進展（圖1），提出了：1）随着測序技術的迅猛發展，植物着絲粒的全景圖将進一步揭示着絲粒的進化及其功能發揮的分子機制；2）着絲粒在進化過程的動态變化（從頭産生、失活、重定位、擴增）表明着絲粒高度的可塑性，為植物着絲粒的定向操作提供理論依據；3）讨論了着絲粒在确保細胞分裂和維持不同物種三維基因組結構中的重要作用。
圖1：着絲粒的基因組、染色質以及動粒組成
其次，論文着重闡述了在植物中操縱着絲粒誘導單倍體和多倍體的研究進展（圖2）。目前在玉米和小麥等作物中已經實現基于着絲粒特異組蛋白變體CENH3的單倍體高效誘導體系，同時在植物中編輯紡錘體組裝監測點蛋白和動粒蛋白能夠誘導産生多倍體。論文還讨論了通過基因編輯靶向着絲粒用于定向染色體工程和物種形成的潛在應用，這将為加速作物育種進程、作物定向精準改造提供重要工具。
圖2 基于着絲粒的植物單倍體和多倍體誘導體系
最後，論文評估了植物人工染色體中着絲粒區域從頭設計和合成的巨大挑戰和策略（圖3）。提出通過體外化學合成從頭組裝、基于CENH3的表觀定位繞過着絲粒重複序列以及基于已有着絲粒自上而下的方法可能是實現未來植物合成基因組學的重要途徑。
圖3 未來植物合成基因組學的挑戰和策略
我院博士研究生周警衛和中科院遺傳發育所劉陽博士為論文共同第一作者。該研究得到國家自然科學基金（32170571和31991212）、國家重點研發計劃（2021YFF1000800）、77779193永利官网校自主基金（2021ZKPY008）、湖北省自然科學基金以及77779193永利官网深圳食品營養與健康研究院與中國農業科學院深圳農業基因組所聯合項目的資助。
