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在我们身体的每个细胞中，我们的DNA(携带发育和生长指令的分子)与蛋白质一起被包装成染色体结构。整套染色体一起构成了基因组，即一个有机体的全部遗传信息。在包括我们在内的大多数生物体中，当染色体处于浓缩的复制状态，为细胞分裂做准备时，它们会以x形结构出现。事实上，这些结构可能是所有科学中最具标志性的结构之一。X形是由于一个被称为着丝粒的狭窄区域，用来连接姐妹染色单体，姐妹染色单体是由染色体的DNA复制形成的相同副本。大多数被研究的生物是“单中心monocentric”的，这意味着着丝粒被限制在每条染色体上的一个区域。然而，一些动物和植物的着丝粒组织却截然不同:不同于典型的x型染色体中的一个单独的缢缩，这些生物的染色体中有多个着丝粒，从姐妹染色单体的一端到另一端排列成一条直线。因此，这些染色体缺乏一个主要的收缩和X形，有这样的染色体的物种被称为“全中心holocentric”，从古希腊单词hólos的意思是“whole”。

由德国科隆马克斯普朗克植物育种研究所André Marques领导的一项新研究，现在揭示了这种非经典的染色体组织模式对基因组结构和进化的显著影响。

为了确定全着丝型是如何影响基因组的，Marques和他的团队使用高度精确的DNA测序技术来解码三种密切相关的全心喙莎草的基因组，这是世界各地发现的类草开花植物，通常是新栖息地的第一个征服者。作为参考，该团队还解码了它们最密切相关的单中心亲戚的基因组。因此，将全心喙莎草与单心喙莎草进行比较，可以让作者将他们观察到的任何差异归因于全心性的影响。

他们的分析揭示了全心生物基因组组织和染色体行为的显著差异。他们发现，在全心染色体中，着丝粒的功能分布在数百个小的着丝粒区域。在单中心生物中，基因主要集中在离着丝粒及其周围区域较远的地方，而在全中心物种中，基因均匀分布在染色体的整个长度上。此外，在单中心物种中，已知染色体在细胞分裂期间参与彼此之间的高度混合，这一特性似乎在调节基因表达方面发挥作用。值得注意的是，这些长期的相互作用在带有全息粒的喙莎草中急剧减少。因此，全心性从根本上影响基因组组织以及染色体在细胞分裂过程中的行为。

在全心生物中，几乎任何给定的染色体片段都会有一个着丝粒，因此具有适当的着丝粒功能，这在单中心物种中是不成立的。通过这种方式，全着丝型被认为可以稳定染色体片段和融合，从而促进基因组的快速进化，或促进生物对其DNA进行迅速、大规模改变的能力。在他们分析的一种喙莎草中，马奎斯和他的团队可以证明，由全着丝型染色体促进的染色体融合使得该物种即使在整个基因组四倍扩增后仍能保持相同的染色体数目。在他们分析的另一种喙莎草中，一种只有两条染色体的植物，是所有植物中染色体数量最少的，发现全心性是染色体数量急剧减少的原因。因此，全着丝型染色体可以通过基因组水平的快速进化形成新物种。

根据Marques的说法，“我们的研究表明，向全心性的转变极大地影响了基因组的组织和调控方式，并允许基因组通过融合它们的染色体快速进化”。该团队的发现还显示出对植物育种令人兴奋的启示，植物育种通常依赖于在染色体和生物体之间交换DNA和基因的能力。“全心植物允许着丝粒附近的DNA交换，这在单中心植物中通常是被抑制的。了解全新中心是如何做到这一点的，可以让我们‘解锁’单中心物种中的那些基因，并使它们能够用于育种性能更好、更具抗性的作物物种。”