基因组生物学:小麦倍性表观遗传调控取得新进展

来源：南京农业大学2022-02-06 10:07

近日，南京农业大学宋庆新课题组在《基因组生物学》上发表了题为《开放色相互作用图揭示进化过程中的功能调控元件和色结构变异》的研究论文。这项研究使用了O

近日，南京农业大学宋庆新课题组在《基因组生物学》上发表了题为《开放色相互作用图揭示进化过程中的功能调控元件和色结构变异》的研究论文。本研究利用OCEAN-C技术绘制了不同倍性小麦的开放染色质相互作用图谱，整合了染色质的可及性、组蛋白修饰和转录组，深入分析了六倍体小麦倍性过程中开放元件长距离相互作用调控基因表达的分子机制。

基因组倍性可以帮助物种具有更广泛的环境适应性，是物种形成和进化的重要驱动力，广泛存在于自然界。普通小麦(AABBDD)是由二倍体祖先种经过两轮杂交和基因组加倍形成的六倍体作物。在小麦发育和环境响应过程中，功能元件与基因之间的广泛相互作用对基因表达起着重要的调节作用。小麦基因组庞大(16 Gb)且复杂(3个亚基因组，85%以上为转座因子)，难以绘制其精确的染色质相互作用图谱，严重制约了小麦三维基因组的研究。

本研究在不使用抗体和低成本OCEAN-C技术的情况下，以高分辨率绘制了二倍体、四倍体和六倍体小麦基因组的开放染色质相互作用图谱。与其他基因组区域相比，开放染色质相互作用环的锚定点显著富含组蛋白修饰，具有更高的染色质可及性。开放染色质相互作用的强度越高，基因的表达水平越高。有趣的是，67%的染色质相互作用锚可以与5个以上的位点相互作用，这被称为开放染色质相互作用热点(HOCIs)。这些相互作用热点显著丰富了多种转录因子结合元件，且相关基因表达较高，可能促进了相关基因的共表达(图1)。

普通小麦的大多数基因有三个拷贝。本研究发现，小麦亚基因组中同源基因之间存在广泛的染色质相互作用偏差，这些偏差不是由染色质可及性差异引起的，其中一些可能是由亚基因组之间的结构差异引起的。通过对不同倍性小麦基因组的比较，鉴定出许多存在于普通小麦中但不存在于四倍体和二倍体小麦中的大片段染色质变异。相应地，与这些基因座相互作用形成染色质的基因在普通小麦中的表达水平较高(图2)。

本研究进一步鉴定了不同倍性小麦中具有不同开放染色质相互作用的基因，这些基因在不同亚基因组中参与了不同的生物过程。如AB亚基因组中的基因主要富集非生物胁迫和信号传递相关基因，D亚基因组中的基因主要富集胚胎发育和翻译相关基因。虽然多倍体化引起的染色质相互作用差异大多只发生在单个基因拷贝中，但本研究仍发现小麦多倍体化过程中，15组A、B、D同源基因同时存在染色质相互作用变异，且半数以上的基因表达变化与染色质相互作用变化呈正相关(图3)。

综上所述，本研究发现开放染色质空间拓扑的变化是由小麦倍性和进化过程中染色质结构的变化引起的，揭示了开放染色质三维相互作用对基因表达的调控作用。本研究的方法和发现为分析多倍体作物进化和驯化的表观调控机制提供了新的思路。南京农业大学农学院博士后袁静雅为第一作者，农学院宋庆新教授为通讯作者，南京农业大学王秀娥教授、中国农业大学倪忠福教授参与研究。该研究得到了国家自然科学基金(31991210，31801351和32001553)的资助。(100yiyao.com)

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