近日，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)多倍體團(tuán)隊在Plant Cell上發(fā)表了題為“Altered chromatin architecture and gene expression during polyploidization and domestication of soybean”的研究文章，該研究整合三維基因組、染色質(zhì)可及性、組蛋白修飾、DNA甲基化和轉(zhuǎn)錄組，深入解析了在大豆多倍化、二倍化與人工馴化過程中，三維基因組結(jié)構(gòu)重塑如何協(xié)同表觀遺傳修飾調(diào)控基因表達(dá)和重要農(nóng)藝性狀。
基因組多倍化（全基因組復(fù)制）是物種形成和進(jìn)化的重要驅(qū)動力，在自然界中廣泛存在。大豆（Glycine max）是典型的古多倍體，其祖先與菜豆（Phaseolus vulgaris）祖先分化后，又經(jīng)歷一次全基因組多倍化并伴隨著緩慢的二倍化過程，導(dǎo)致近75％的基因以多拷貝形式存在。在約6000-9000年前的東亞地區(qū)，野生大豆被馴化為栽培大豆，其農(nóng)藝性狀發(fā)生顯著改變。然而，在大豆多倍化、進(jìn)化和馴化過程中，表觀遺傳在調(diào)控基因表達(dá)和重要農(nóng)藝性狀中的作用仍然知之甚少。
真核生物的基因組在細(xì)胞核內(nèi)折疊成不同程度的高級結(jié)構(gòu)，如區(qū)室結(jié)構(gòu)（A/B compartments）、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)域（TAD）和染色質(zhì)環(huán)（chromatin loop）等。該研究通過比較大豆與菜豆，發(fā)現(xiàn)多倍化導(dǎo)致基因組三維結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著改變，促進(jìn)了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)域（TAD）的產(chǎn)生。而在長期二倍化過程中，染色體斷裂部位更容易發(fā)生在TAD的邊界，并且會造成顯著的染色體互作變化。與其他基因相比，大豆基因組中全基因組重復(fù)基因更多分布在區(qū)室A（A compartments），并且呈現(xiàn)更強(qiáng)的染色質(zhì)互作、更高的染色質(zhì)可及性和表達(dá)水平。進(jìn)一步的研究揭示染色質(zhì)互作會協(xié)同染色質(zhì)可及性、組蛋白修飾和DNA甲基化調(diào)控重復(fù)基因之間的偏向表達(dá)（圖1）。
圖1: 染色質(zhì)互作參與全基因組重復(fù)基因的表達(dá)調(diào)控
在人工馴化過程中，馴化選擇區(qū)域傾向于發(fā)生在區(qū)室B （B compartments），而品種改良選擇區(qū)域更易發(fā)生在區(qū)室A（A compartments）。野生大豆和栽培大豆之間染色質(zhì)互作的變異會顯著促進(jìn)基因表達(dá)的變化，并且形成染色質(zhì)環(huán)的基因受到更強(qiáng)烈的人工選擇（圖2）。這些結(jié)果表明人工馴化導(dǎo)致的三維基因組結(jié)構(gòu)變異可能有助于重要農(nóng)藝性狀的改良。
圖2 大豆馴化過程中染色質(zhì)互作差異對基因表達(dá)的影響
該研究通過多組學(xué)分析揭示了大豆多倍化與馴化過程中三維基因組結(jié)構(gòu)的變化和調(diào)控作用，為大豆的進(jìn)化和馴化的表觀遺傳調(diào)控研究提供了新觀點。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院博士研究生王龍飛為文章的第一作者，宋慶鑫教授為論文的通訊作者。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士研究生賈光紅、博士研究生蔣欣羽和曹帥為共同作者。
詳情請參閱文章鏈接：https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koab081/6175070
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