韩斌院士团队与合作者在水稻染色体外环状DNA研究中取得重要进展

科研进展

理解基因组的动态特性是当前基因组学研究的前沿方向之一。eccDNA（染色体外环状DNA）作为真核生物基因组的重要组成部分，在人类等物种中已被证实具有丰富且重要的生物学功能，但在植物中的研究尚属空白。水稻作为单子叶模式植物和重要粮食作物，开展其eccDNA的系统研究，将有助于从新的角度认识水稻基因组的特性及其环境适应性。北京时间3月18日，国际期刊Nature Communications在线发表了上海交通大学生命科学技术学院陆婷婷研究组与中国科学院分子植物科学卓越创新中心韩斌研究组合作的最新研究成果"Dynamics of extrachromosomal circular DNA in Rice"。该研究首次系统揭示了染色体外环状DNA(eccDNA)在水稻基因组中的广泛存在，为深入理解水稻遗传多样性提供了全新视角。

该研究首次在水稻6种组织中鉴定出25,598个高可信度eccDNA，证实了eccDNA在水稻基因组中的普遍存在。研究发现，这些eccDNA在染色体上分布均匀，没有明显的热点区域。有趣的是，不同组织及同一组织内部的eccDNA表现出显著的异质性，其中叶片组织中的eccDNA数量明显高于其他组织。

此外，研究团队鉴定出一类特殊的eccDNA，其末端含有7到15个碱基对的微小同源直接重复序列，占所有eccDNA的约4.41%。这一特征与DNA双链断裂的替代性末端连接(Alt-EJ)修复机制的特点一致，为eccDNA的形成机制提供了新的见解。

通过整合多组学证据，研究揭示eccDNA的形成可能导致染色体微缺失，这为开发新的遗传变异探索策略奠定了基础。此外，研究发现约40%的基因与eccDNA存在重叠，但在多数情况下，二者之间并无直接的表达关联。而叶片组织中eccDNA的富集现象可能与DNA损伤修复途径的选择有关。

总的来说，这项研究系统地揭示了eccDNA作为水稻基因组新成员的基本特征，为深入认识水稻乃至其他植物物种的基因组动态与进化提供了重要参考。同时，该研究也为利用eccDNA开发新的遗传变异探索策略提供了新的思路，对于未来水稻乃至其他作物的遗传改良具有重要意义。

水稻染色体外环状DNA鉴定流程图

上海交通大学陆婷婷研究员和中国科学院分子植物科学卓越创新中心韩斌院士为本文共同通讯作者，庄俊冬博士和博士生张燿鑫为论文共同第一作者。本研究工作得到了国家自然科学基金的资助。同时，该研究还得到了上海师范大学黄学辉教授、中国科学院分子植物科学卓越创新中心徐麟研究员、朱新广研究员及倪晓祥博士的宝贵建议。