【New Phytologist】南京农大陈发棣团队利用“染色体涂染”技术揭示菊属多倍体快速二倍化的机制

近日，南京农业大学陈发棣教授团队在植物学权威期刊《New Phytologist》上发表题为“Sequential Oligo-FISH reveals conserved synteny and rapid cytological diploidization in Chrysanthemum autopolyploids”的研究。该研究攻克了菊属染色体相似度高、难以精确识别的技术难题，首次开发出菊属染色体特异涂染探针库，并建立顺序荧光原位杂交（FISH）技术体系，实现了同源染色体组在染色体水平上的精确识别与追踪，揭示了菊属多倍体快速细胞学二倍化的潜在机制。

菊花（Chrysanthemum morifolium）隶属于菊科春黄菊族菊属（Chrysanthemum），是我国十大传统名花和世界四大切花之一，其基因组结构复杂。菊属植物倍性分布广泛，从二倍体到十倍体均有分布，是研究多倍体进化的理想材料。然而，由于菊属植物染色体小，相似度高，难以简单通过染色体核型分析技术及荧光原位杂交等传统细胞遗传学技术区分单条染色体，这严重阻碍了菊属不同物种间染色体进化关系和物种起源演化等研究（图1）。菊属究竟有几个染色体组，不同染色体组在菊属植物起源和演化过程中的作用是什么仍有待明确。

为此，团队基于已发表的栽培菊花‘钟山紫桂’高质量单倍体基因组，首次开发出菊属全染色体组特异性涂染探针库。此外，团队进一步创新性地建立了顺序荧光原位杂交技术体系，首次实现了对菊属所有同源染色体组的逐条、精准识别与可视化，攻克了长期以来菊属染色体组“分辨难”的核心技术难题（图2）。

基于开发的寡核苷酸探针库（CmOP-1及CmOP-2）、染色体特异涂染探针及顺序荧光原位杂交技术体系，团队对7份菊属种质进行顺序荧光原位杂交分析，以携带5S rDNA位点的同源染色体组（Chr 19/20/21）为例证实了菊属在演化过程中保持着极其保守的染色体共线性，未发现大规模易位或重排（图 3）。这为解析菊属稳定的进化模式提供了直接可视化的细胞学证据。

基于人工创制的同源多倍体材料及顺序FISH技术，进一步研究发现了菊属同源多倍体在形成过程中伴随快速二倍化现象，即多倍体细胞在减数分裂中表现出类似二倍体的二价体配对模式（图 4）。基于相关Oligo-FISH及减数分裂染色体行为统计结果，我们认为：重复序列（尤其是异染色质区富集的重复序列）的动态变化（扩增与丢失），可能通过影响减数分裂过程中同源染色体的识别与配对，从而促进了这种快速二倍化，以维持多倍体基因组的稳定性。该研究首次开发了菊属全染色体组特异性涂染探针库并建立了顺序荧光原位杂交技术体系，为解析复杂多倍体植物的基因组进化提供了关键细胞遗传学工具，也为菊属多倍体育种策略的制定提供了理论与技术支撑。

南京农业大学菊花遗传与种质创新利用团队博士毕业生何俊（现工作单位：福建省农业科学院作物研究所）为论文第一作者，南京农业大学园艺学院王海滨教授和陈发棣教授为论文通讯作者。南京农业大学园艺学院已毕业研究生林思思、张爽爽、饶欣雨，在读博士生何彦泽，菊花遗传与种质创新利用团队廖园老师、宋爱萍教授、王振兴教授参与了该研究。该研究亦获南京农业大学农学院亓增军教授的悉心指导，以及园艺学院中心实验室马月花高级实验师在仪器使用方面提供的大力支持。该工作得到了国家重点研发计划（2023YFD2300900）、国家自然科学基金（32172613，32341048）、江苏省种业振兴“揭榜挂帅”项目（JBGS [2021]020）、国家现代农业产业技术体系（CARS-23-A18）及中央高校基本科研业务费项目（QTPY2025005）等资助。

原文链接：https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.70968