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苏汉东课题组发表植物着丝粒生物学及其在生物技术、合成生物学领域应用的综述
作者:编辑:王敏发布时间:2022-06-21

着丝粒作为染色体重要的结构元件,从上个世纪三十年代发现之初,就被赋予了神秘的色彩。在过去的半个多世纪,随着细胞遗传学、分子生物学、表观遗传学以及基因组测序工具的快速发展,逐渐揭开了着丝粒的黑洞。目前的观点认为着丝粒参与染色体的正确行为和基因组三维结构的调控,与基因组的稳定性、核型进化和物种形成等密切相关。然而,对于植物着丝粒的认知则基本处于未知。

2022620日,苏汉东课题组在Plant Biotechnology Journal在线发表题为“Centromeres: from chromosome biology to biotechnology applications and synthetic genomes in plants的综述论文,系统总结了近二十年来植物着丝粒领域的研究进展,并阐述了操纵着丝粒在改变植物倍性、定向染色体工程育种以及合成生物学方面潜在的应用,提出植物着丝粒的生物技术应用将对未来作物遗传改良、精准合成育种以及合成生命提供巨大助力

论文首先从着丝粒序列组成、染色质组成和动粒蛋白组成等方面,系统梳理了着丝粒形成和维持的表观调控研究进展(图1),提出了:1)随着测序技术的迅猛发展,植物着丝粒的全景图将进一步揭示着丝粒的进化及其功能发挥的分子机制;2)着丝粒在进化过程的动态变化(从头产生、失活、重定位、扩增)表明着丝粒高度的可塑性,为植物着丝粒的定向操作提供理论依据;3)讨论了着丝粒在确保细胞分裂和维持不同物种三维基因组结构中的重要作用。

1:着丝粒的基因组、染色质以及动粒组成


其次,论文着重阐述了在植物中操纵着丝粒诱导单倍体和多倍体的研究进展(图2)。目前在玉米和小麦等作物中已经实现基于着丝粒特异组蛋白变体CENH3的单倍体高效诱导体系,同时在植物中编辑纺锤体组装监测点蛋白和动粒蛋白能够诱导产生多倍体。论文还讨论了通过基因编辑靶向着丝粒用于定向染色体工程和物种形成的潜在应用,这将为加速作物育种进程、作物定向精准改造提供重要工具。

2 基于着丝粒的植物单倍体和多倍体诱导体系


最后,论文评估了植物人工染色体中着丝粒区域从头设计和合成的巨大挑战和策略(图3)。提出通过体外化学合成从头组装、基于CENH3的表观定位绕过着丝粒重复序列以及基于已有着丝粒自上而下的方法可能是实现未来植物合成基因组学的重要途径。

3 未来植物合成基因组学的挑战和策略


我院博士研究生周警卫和中科院遗传发育所刘阳博士为论文共同第一作者。该研究得到国家自然科学基金(3217057131991212)、国家重点研发计划(2021YFF1000800)、华中农业大学校自主基金(2021ZKPY008)、湖北省自然科学基金以及华中农业大学深圳食品营养与健康研究院与中国农业科学院深圳农业基因组所联合项目的资助。


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