首個棉花纖維高清動態3D基因組結構圖譜建成

　　 近日，華中農業大學棉花遺傳改良團隊首次構建了棉花纖維的高分辨率三維基因組結構圖譜，揭示了亞基因組協作調控異源四倍體棉花纖維發育的拓撲結構基礎，對棉花功能基因組研究具有重要推動作用。棉花纖維是純凈的植物單細胞類型，該研究為解析其他植物單細胞分化的轉錄調控機制提供了參考。相關研究成果在線發表于國際學術期刊《基因組生物學》（Genome Biology）。

 不同分辨率下棉花纖維的三維基因組結構圖譜   華中農大供圖

　　植物細胞分化伴隨著基因轉錄調控網絡重塑，該過程受到表觀遺傳修飾和染色質結構等影響。棉花纖維是胚珠表皮上高度分化的單細胞結構，其分化發育過程一般經歷約50天，分為四個相對重疊階段：起始分化、伸長、次生細胞壁合成和脫水成熟期。因此，棉花纖維可作為研究植物細胞分化的模式系統。

　　該團隊前期的研究發現，隨著纖維發育，CHH (H = A、T 或 C) DNA 甲基化水平逐漸增加，伴隨著常染色質向異染色質的轉換。隨著三維（3D）基因組學技術的發展，該團隊利用棉花葉片進行比較三維基因組研究，發現了基因組多倍化和基因組大小演化中染色質高級結構的重組規律。

　　該研究通過對原位Hi-C技術進行改進，極大地提高了Hi-C實驗數據的信噪比。研究中利用海島棉3-79開花后0天(DPA)、5天(DPA)、10天(DPA)、20天(DPA)的胚珠或纖維樣品——分別代表纖維起始分化、伸長（早期伸長和快速伸長）和次生壁合成階段，進行纖維的三維基因組學研究，旨在解析纖維發育中的染色質拓撲結構改變與基因轉錄調控之間的關系。

　　研究發現，隨著纖維發育，活躍表達的基因變少，同時活性染色質修飾減少，并且At和Dt兩個亞基因組對異源四倍體纖維的發育存在協同貢獻。在纖維發育過程中，不同的分辨率下纖維細胞核內呈現了不同的染色質高級結構；染色質區室從活躍到不活躍的轉換伴隨著纖維發育相關基因的沉默。

　　研究鑒定了10571個拓撲關聯結構域 (TAD)，其中25.6%在不同發育階段中特異存在，75.23%在兩個亞基因組之間發生分割或融合，而這種亞基因組間同源TAD的結構變化與轉座子的插入/消除有關。

　　值得注意的是，部分遠程 TAD-TAD 相互作用組成的復雜 TAD 團（clique）在纖維發育后期逐漸解散，這是后期染色質高級結構變化的一個突出特征。染色質環介導的轉錄調控網絡在纖維發育過程中發生顯著變化，而且在兩個亞基因組之間也存在明顯差異，這可能與同源基因的偏向性表達相關。

　　這項研究揭示了四倍體棉花纖維發育中兩個亞基因組的時空不對稱染色質結構，并為植物細胞階段性分化的調控機制提供了新的見解。

　　作物遺傳改良國家重點實驗室、湖北洪山實驗室博士生裴柳玲和黃鮮暉為論文共同第一作者，王茂軍教授為通訊作者，張獻龍教授參與了課題設計。該研究得到了國家自然科學基金和中央高校基本科研業務費專項資金的資助。

　　相關論文信息：https://doi.org/10.1186/s13059-022-02616-y