Genome Biology | 西南大学/崖州湾国家实验室构建甘蓝型油菜完整参考基因组，揭示着丝粒遗传景观

甘蓝型油菜（Brassica napus）是全球最重要的油料作物之一，由白菜（B. rapa）与甘蓝（B. oleracea）自然杂交形成，是典型的异源四倍体。中国农科院油料所培育的中双11号（ZS11）作为中国半冬性生态型的代表品种，具有含油量高、抗病性强、适应性广等优良性状，长期是甘蓝型油菜遗传育种与功能基因组研究的核心材料。2020年，华中农业大学油菜团队构建包含ZS11在内的多生态型基因组，揭示了甘蓝型油菜泛基因组架构与生态型分化。其中ZS11 v0凭借优良的组装质量与品种重要性，迅速成为该领域使用最广泛的参考基因组之一，支撑了大量全基因组关联分析、性状定位和分子育种研究。然而，受异源多倍体基因组高度复杂、重复序列极为丰富的制约，ZS11 v0仍遗留4,508个组装缺口，严重限制着对着丝粒结构与演化的深入解析。构建ZS11的完整参考基因组，不仅是补齐油菜基因组图谱“最后一块拼图”的关键一步，也将为甘蓝型油菜研究社区提供更为精确、完整的遗传资源，服务于功能基因挖掘和分子设计育种。

近日，西南大学油菜团队卢坤教授/宋佳明研究员联合崖州湾国家实验室/广西大学陈玲玲教授团队在Genome Biology期刊在线发表题为A complete reference genome reveals genetic landscape of Brassica centromeres的研究论文。该研究以ZS11为材料，构建了甘蓝型油菜首个端粒到端粒（T2T）完整参考基因组（ZS11RS3），系统解析了着丝粒的精细结构、三维组织与进化动力学。研究鉴定了定义着丝粒的核心卫星重复序列，揭示了多倍化过程中亚基因组间的序列多态性与结构分化，发现了由染色体重排产生的rDNA富集近着丝粒区，并提出着丝粒周期性演化模型，为理解多倍体作物基因组中着丝粒的演化、分化与稳定提供了关键依据。

甘蓝型油菜T2T完整参考基因组的构建与着丝粒精细结构解析

研究团队整合约125× PacBio reads与约235× ONT reads，成功构建甘蓝型油菜ZS11的T2T染色体级基因组组装（ZS11 Reference Sequence v3, ZS11RS3）。相较ZS11 v0，contig N50由2.7 Mb提升至56.26 Mb，4,508个缺口全部闭合，19条染色体两端均检测到端粒重复，标志着甘蓝型油菜首个完全解析基因组的诞生。修复区域达172.77 Mb，其中87.53 Mb为此前未能组装的区域（previously unassembled regions, PURs），主要分布于着丝粒与近着丝粒区。改进组装额外注释18,470个蛋白编码基因，其中2,832个在ZS11 v0中完全缺失，许多聚集于原未解析区域（图1）。ZS11RS3因此不仅闭合了基因组缺口，也恢复了大量此前“隐形”的基因信息（基因组数据：https://brassica.swu.edu.cn/bigw/）。

在此基础上，研究系统解析着丝粒精细结构。串联重复分析表明，176 bp卫星单体BnaCEN176是甘蓝型油菜最丰富的着丝粒重复：ZS11RS3检测到364,330个拷贝，而ZS11 v0仅107,514个，完整组装使检出量增加近2.4倍。全基因组分析揭示显著的单体多态性，A、C亚基因组分化清晰，染色体内变异广泛。依据CENH3 ChIP-seq峰分布，研究界定着丝粒凹陷区（centromere dip regions, CDRs），跨度0.79–1.36 Mb。除BnaCEN176外，还鉴定到5个此前未表征、富集于CENH3相关染色质的卫星单体；荧光原位杂交（FISH）证实BnaCEN176与BnaCEN66定位于着丝粒。卫星单体进一步组织为高阶重复（higher-order repeats, HORs），全部CDR中共检出52,833个HOR。值得注意的是，C04染色体CDR缺乏可检测卫星重复、完全由转座元件（TE）主导，表明TE富集着丝粒亦可独立招募CENH3。上述结果为异源多倍体作物着丝粒序列组成与结构解析提供了完整染色体框架。

图1. 甘蓝型油菜参考基因组的最后一块“拼图”

着丝粒演化动力学与周期性演化模型

研究意外发现，若干染色体存在rDNA富集近着丝粒区（rDNA-enriched pericentromeric regions, REPs）。REP与着丝粒共享拓扑关联结构域（TAD），却缺乏经典着丝粒卫星序列；其CENH3占据显著高于染色体臂，但又明显弱于着丝粒，提示可能对应着丝粒功能的过渡状态。跨种比较显示，REP仅见于A亚基因组，且早于白菜起源。祖先核型重建表明，REP对应祖先染色体断裂–融合边界，暗示末端rDNA在核型演化中被重定位至内部并局部扩张，揭示了芸薹属此前未被认识的着丝粒相关基因组复杂性层次。

为阐明着丝粒分化的驱动力量，研究比较了多倍化前后卫星与TE动态。LTR逆转录转座子主导着丝粒TE：LTR/Copia优先富集于着丝粒内部，LTR/Gypsy主要积累于近着丝粒侧翼；这一谱系特异性区室化模式在亚基因组与祖先种间高度保守，表明LTR整合长期受到约束。插入时间分析显示，着丝粒LTR显著年轻于染色体臂LTR，且A亚基因组存在更近、更显著的LTR爆发。以solo-LTR与完整LTR比值衡量清除效率，发现A亚基因组着丝粒的LTR清除效率显著高于C亚基因组，故A亚基因组主要保留年轻LTR，而C亚基因组因清除低效而积累古老插入；跨属分析进一步显示清除效率遵循 B > A > C。综合比较表明，LTR逆转录转座子周转效率的差异是驱动着丝粒多样化的主要力量。

据此，研究提出芸薹属着丝粒周期性演化模型：LTR扩增与卫星序列再扩张交替进行，并由谱系及亚基因组特异性的LTR清除效率调控。多倍化重塑这一平衡，推动着丝粒长度与组成快速分化，同时维持着丝粒功能稳定。该模型为理解多倍体植物基因组中着丝粒如何演化、分化与稳定提供了统一框架，对染色体生物学、核型演化及驯化背景下的基因组稳定性研究具有广泛意义。基于ZS11RS3与这一演化模型，未来有望进一步关联着丝粒结构变异与重要农艺性状，为油菜精准育种与基因组设计改良提供理论依据和数据资源。

图2. 解码芸薹属着丝粒：CDR注释、rDNA富集的近着丝粒区的发现与着丝粒循环演化

广西大学联培博士研究生徐信栋、西南大学博士研究生叶思莹为共同第一作者；西南大学宋佳明研究员、卢坤教授，以及崖州湾国家实验室/广西大学陈玲玲教授为共同通讯作者。中国农业科学院油料作物研究所王汉中院士和华玮教授在课题设计与种质资源方面提供支持；英国剑桥大学植物科学系Ian Henderson教授、中国科学院遗传与发育生物学研究所韩方普研究员和刘阳博士在着丝粒序列分析方面提供宝贵建议。研究获国家自然科学基金、重庆市技术创新与应用发展专项、国家现代农业产业技术体系资金资助。

全文链接：

https://link.springer.com/article/10.1186/s13059-026-04218-4