2026年6月18日，国际著名学术期刊Genome Biology在线发表了北京大学现代农业研究院/潍坊现代农业山东省实验室郭立研究员团队题为“Gapless and phased genome assembly reveals post-allopolyploidization subgenomic diversification of tobacco centromeres”的研究论文。
郭立团队继2024年本氏烟草着丝粒研究工作之后，本次又完成了首个栽培烟草的端粒到端粒（T2T）无间隙基因组的绘制，并解析其着丝粒序列组成特征，揭示了异源多倍化后着丝粒的亚基因组不对称分化及频繁重定位机制（图1），为后续合成生物学、染色体工程和精准育种提供设计蓝图。
百迈客生物为该研究提供了基因组测序服务！
烟草是茄科烟草属（Nicotiana）草本植物和全球重要的经济作物，也是合成生物学的底盘生物。栽培烟草（Nicotiana tabacum）是异源四倍体(SSTT)，由林烟草（N. sylvestris, SS）和绒毛状烟草（N. tomentosiformis, TT）在约20万年前通过种间杂交和演化形成。
尽管栽培烟草基因组草图已于2014年发布，并在后续多年中不断改进，但由于着丝粒、端粒和卫星重复阵列等区域的高度复杂性，完整基因组图谱始终未能完成绘制，阻碍了基因的精确注释和对于着丝粒和端粒等暗物质区域的研究。
首先，研究团队整合高深度的PacBio HiFi、ONT超长测序以及Hi-C数据，构建了迄今为止质量最高、最完整的栽培烟草T2T无间隙基因组。该基因组大小为4.19 Gb，Contig N50高达180.27 Mb，成功捕获了40/48个端粒，并通过k-mer分相策略精准拆分为S和T两个亚基因组。
其次，研究团队基于ChIP-seq精准定位并解析了栽培烟草的着丝粒图谱，结束了长久以来关于其着丝粒序列组成的争议。栽培烟草着丝粒由高达71.5%的Gypsy逆转座子主导，其中Tekay是招募CENH3的核心骨架。此外，在CenS08和CenS22着丝粒中还观察到特定卫星阵列（如90-bp NTS9）结构。
再其次，演化分析表明，栽培烟草的两套亚基因组在经历多倍化后表现出明显的不对称演化：父本来源的T亚基因组经历了更剧烈的序列收缩与迅速分化，而S亚基因组则受到更严格的异染色质表观约束。同时，多倍化之后还发生了频繁的着丝粒重定位现象，尤其是在T亚基因组上。例如CenS08着丝粒在多倍化之后中“跳跃”至新位点并招募了密集的NTS9卫星阵列，而CenT14则通过染色体内的大片段倒位驱动了着丝粒的重新定位。
最后，通过对比烟草与其二倍体祖先，研究团队提出着丝粒演化分为两个阶段：物种分化阶段--二倍体祖先之间已发生着丝粒移位；多倍体化阶段--四倍体烟草在形成后又经历了新一轮的着丝粒重新定位。值得注意的是，与本氏烟草（约6百万年）相比，栽培烟草（约20万年）是更年轻的多倍体，其卫星型着丝粒来源于已有卫星阵列的移位，而非从头产生，提示多倍体年龄可能决定着丝粒演化的路径差异。
图1 栽培烟草T2T基因组的全局特征和着丝粒景观
总之，该研究首次公布了栽培烟草的T2T基因组，并揭示了其着丝粒的结构特征。栽培烟草T2T基因组的破译不仅打通了四倍体烟草迈向“零缺口”的最后一步，更为理解植物多倍化后异染色质区域的演化规律以及着丝粒的重定位机制提供了重要的研究范例。
栽培烟草无间隙基因组的完成，不仅是一次技术上的突破，更是对多倍体基因组演化认知的深化。它告诉我们，在多倍体化的“风暴”之后，着丝粒并非静止不变，而是在不断移动、重组与重塑中，维系着染色体的稳定与物种的延续。这些重要发现为我们理解植物适应性演化与作物改良提供了新的视角与工具。
原文链接：https://link.springer.com/article/10.1186/s13059-026-04163-2
以上内容来源于北京大学现代农业研究院，侵删
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