近日，南京農業大學宋慶鑫課題組在Genome Biology上發表了題為“Open chromatin interaction maps reveal functional regulatory elements and chromatin architecture variations during wheat evolution”的研究論文。該研究利用OCEAN-C技術繪制了不同倍性小麥的開放染色質互作圖譜，并整合了染色質可及性、組蛋白修飾和轉錄組，深入解析了六倍體小麥多倍化過程中，開放元件遠距離互作調控基因表達的分子機制。
基因組多倍化可以幫助物種具備更廣泛的環境適應能力，是物種形成和進化的重要驅動力，在自然界中廣泛存在。普通小麥（AABBDD）由二倍體祖先種經歷兩輪的雜交和基因組加倍形成的異源六倍體作物。在小麥發育和環境應答過程中，功能元件和基因之間的廣泛互作對于基因表達具有重要的調控作用。小麥龐大（16 Gb）而復雜（三個亞基因組，85%以上為轉座元件）的基因組導致其精確的染色質互作圖譜難以繪制，嚴重制約了小麥三維基因組的研究。
該研究通過不依賴抗體和低成本的OCEAN-C技術高分辨率地繪制了二倍體、四倍體和六倍體小麥全基因組開放染色質互作圖譜。與其他基因組區域相比，開放染色質互作環的錨點顯著富集組蛋白修飾并且具有更高的染色質可及性，開放染色質互作強度越高的基因其表達水平也越高。有意思的是，67%的染色質互作錨點可以與5個以上位點產生互作，被稱為開放染色質互作熱點（HOCIs）。這些互作熱點顯著富集多種轉錄因子結合元件，其關聯基因表達更高，并且可能促進了關聯的多個基因的協同表達（圖1）。
普通小麥大部分基因有三個拷貝，該研究發現小麥亞基因組同源基因之間存在廣泛的染色質互作偏向，而這些偏向并不是由染色質可及性差異導致的，其中一部分可能是由于亞基因組之間的結構變異引起的。通過比較不同倍性的小麥基因組，鑒定了多個在普通小麥中存在而四倍體和二倍體小麥中不存在的大片段染色質變異（PAVs），與之相對應的，與這些位點形成染色質互作的基因在普通小麥中的表達水平更高（圖2）。
該研究進一步鑒定了在不同倍性小麥中存在開放染色質互作差異的基因，這些基因在不同亞基因組中參與不同的生物學過程，例如在AB亞基因組的基因主要富集非生物脅迫和信號傳遞相關基因，而在D亞基因組的基因主要富集胚胎發育和翻譯相關基因。盡管大部分多倍化產生的染色質互作差異只發生在單個基因拷貝上，但該研究仍然發現了15組A、B、D同源基因在小麥多倍化中同時發生了染色質互作變異，而且一半以上的基因的表達變化和染色質互作變化正相關（圖3）。
綜上所述，該研究發現了小麥多倍化和進化過程中染色質結構變異引起開放染色質空間拓撲結構改變，并且揭示了開放染色質三維互作變化對基因表達的調控作用。該研究的方法和發現對多倍體作物進化和馴化中表觀遺傳調控機制解析提供了新思路。南京農業大學農學院博士后袁靜婭為第一作者，農學院宋慶鑫教授為通訊作者，南京農業大學王秀娥教授和中國農業大學倪中福教授參與了該項研究。該研究得到了國家自然科學基金（31991210、31801351和32001553）資助。
日期：2022-02-03
基因組多倍化可以幫助物種具備更廣泛的環境適應能力，是物種形成和進化的重要驅動力，在自然界中廣泛存在。普通小麥（AABBDD）由二倍體祖先種經歷兩輪的雜交和基因組加倍形成的異源六倍體作物。在小麥發育和環境應答過程中，功能元件和基因之間的廣泛互作對于基因表達具有重要的調控作用。小麥龐大（16 Gb）而復雜（三個亞基因組，85%以上為轉座元件）的基因組導致其精確的染色質互作圖譜難以繪制，嚴重制約了小麥三維基因組的研究。
該研究通過不依賴抗體和低成本的OCEAN-C技術高分辨率地繪制了二倍體、四倍體和六倍體小麥全基因組開放染色質互作圖譜。與其他基因組區域相比，開放染色質互作環的錨點顯著富集組蛋白修飾并且具有更高的染色質可及性，開放染色質互作強度越高的基因其表達水平也越高。有意思的是，67%的染色質互作錨點可以與5個以上位點產生互作，被稱為開放染色質互作熱點（HOCIs）。這些互作熱點顯著富集多種轉錄因子結合元件，其關聯基因表達更高，并且可能促進了關聯的多個基因的協同表達（圖1）。
普通小麥大部分基因有三個拷貝，該研究發現小麥亞基因組同源基因之間存在廣泛的染色質互作偏向，而這些偏向并不是由染色質可及性差異導致的，其中一部分可能是由于亞基因組之間的結構變異引起的。通過比較不同倍性的小麥基因組，鑒定了多個在普通小麥中存在而四倍體和二倍體小麥中不存在的大片段染色質變異（PAVs），與之相對應的，與這些位點形成染色質互作的基因在普通小麥中的表達水平更高（圖2）。
該研究進一步鑒定了在不同倍性小麥中存在開放染色質互作差異的基因，這些基因在不同亞基因組中參與不同的生物學過程，例如在AB亞基因組的基因主要富集非生物脅迫和信號傳遞相關基因，而在D亞基因組的基因主要富集胚胎發育和翻譯相關基因。盡管大部分多倍化產生的染色質互作差異只發生在單個基因拷貝上，但該研究仍然發現了15組A、B、D同源基因在小麥多倍化中同時發生了染色質互作變異，而且一半以上的基因的表達變化和染色質互作變化正相關（圖3）。
綜上所述，該研究發現了小麥多倍化和進化過程中染色質結構變異引起開放染色質空間拓撲結構改變，并且揭示了開放染色質三維互作變化對基因表達的調控作用。該研究的方法和發現對多倍體作物進化和馴化中表觀遺傳調控機制解析提供了新思路。南京農業大學農學院博士后袁靜婭為第一作者，農學院宋慶鑫教授為通訊作者，南京農業大學王秀娥教授和中國農業大學倪中福教授參與了該項研究。該研究得到了國家自然科學基金（31991210、31801351和32001553）資助。
日期：2022-02-03
