南京农业大学农学院宋庆鑫课题组在小麦多倍化的表观遗传调控领域取得新进展
2022-02-07 12:09:30来源: 南京农业大学
近日，南京农业大学宋庆鑫课题组在Genome Biology上发表了题为“Open chromatin interaction maps reveal functional regulatory elements and chromatin architecture variations during wheat evolution”的研究论文。该研究利用OCEAN-C技术绘制了不同倍性小麦的开放染色质互作图谱，并整合了染色质可及性、组蛋白修饰和转录组，深入解析了六倍体小麦多倍化过程中，开放元件远距离互作调控基因表达的分子机制。
基因组多倍化可以帮助物种具备更广泛的环境适应能力，是物种形成和进化的重要驱动力，在自然界中广泛存在。普通小麦（AABBDD）由二倍体祖先种经历两轮的杂交和基因组加倍形成的异源六倍体作物。在小麦发育和环境应答过程中，功能元件和基因之间的广泛互作对于基因表达具有重要的调控作用。小麦庞大（16 Gb）而复杂（三个亚基因组，85%以上为转座元件）的基因组导致其精确的染色质互作图谱难以绘制，严重制约了小麦三维基因组的研究。
该研究通过不依赖抗体和低成本的OCEAN-C技术高分辨率地绘制了二倍体、四倍体和六倍体小麦全基因组开放染色质互作图谱。与其他基因组区域相比，开放染色质互作环的锚点显著富集组蛋白修饰并且具有更高的染色质可及性，开放染色质互作强度越高的基因其表达水平也越高。有意思的是，67%的染色质互作锚点可以与5个以上位点产生互作，被称为开放染色质互作热点（HOCIs）。这些互作热点显著富集多种转录因子结合元件，其关联基因表达更高，并且可能促进了关联的多个基因的协同表达（图1）。
普通小麦大部分基因有三个拷贝，该研究发现小麦亚基因组同源基因之间存在广泛的染色质互作偏向，而这些偏向并不是由染色质可及性差异导致的，其中一部分可能是由于亚基因组之间的结构变异引起的。通过比较不同倍性的小麦基因组，鉴定了多个在普通小麦中存在而四倍体和二倍体小麦中不存在的大片段染色质变异（PAVs），与之相对应的，与这些位点形成染色质互作的基因在普通小麦中的表达水平更高（图2）。
该研究进一步鉴定了在不同倍性小麦中存在开放染色质互作差异的基因，这些基因在不同亚基因组中参与不同的生物学过程，例如在AB亚基因组的基因主要富集非生物胁迫和信号传递相关基因，而在D亚基因组的基因主要富集胚胎发育和翻译相关基因。尽管大部分多倍化产生的染色质互作差异只发生在单个基因拷贝上，但该研究仍然发现了15组A、B、D同源基因在小麦多倍化中同时发生了染色质互作变异，而且一半以上的基因的表达变化和染色质互作变化正相关（图3）。
综上所述，该研究发现了小麦多倍化和进化过程中染色质结构变异引起开放染色质空间拓扑结构改变，并且揭示了开放染色质三维互作变化对基因表达的调控作用。该研究的方法和发现对多倍体作物进化和驯化中表观遗传调控机制解析提供了新思路。南京农业大学农学院博士后袁静娅为第一作者，农学院宋庆鑫教授为通讯作者，南京农业大学王秀娥教授和中国农业大学倪中福教授参与了该项研究。该研究得到了国家自然科学基金（31991210、31801351和32001553）资助。
编辑：孟庭伟
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