作者：刘艳艳†, 许欣桐†,贺超†,晋留杰,周子茹, 高界, 郭闵榕, 王新, 陈川晔, Mohammed H. Ayaad, 李兴旺 ，鄢文豪*
冬小麦需经历特定的长时间低温才能在温暖的春天抽穗开花，这种现象被称为春化。植物中春化相关调节因子的转录受到表观遗传的调控。春化关键调节因子VRN1的转录主要与组蛋白修饰的动态变化相关。春化作用前，VRN1基因上富集H3K27me3的修饰以抑制其转录；而长时间处于寒冷环境时，H3K4me3的修饰逐步积累使得VRN1的表达水平升高。除了关键调节因子外，植物也通过表观基因组的改变而全面系统的调控基因转录，以应对不同环境的刺激。同时，越来越多的证据表明三维染色质的互作也在小麦和其它物种中的基因转录调节上发挥重要作用。
春化作用对冬小麦的安全过冬并在合适的时间抽穗开花至关重要。然而，春化作用是如何通过改变小麦的染色质状态特别是三维染色质互作进而改变全基因组范围的基因转录，目前仍不得而知。近日，华中农业大学鄢文豪教授团队通过不同春化处理条件下的冬小麦材料进行基因表达分析，构建了小麦春化作用的基因专利调控网络，并鉴定小麦春化响应过程中的关键基因。
该研究通过对不同春化处理的冬小麦（矮抗58）材料进行转录组分析，共鉴定到17669个差异表达基因，这些差异表达基因聚成了七类。其中，第一类和第二类基因在春化前的表达最高，长时间春化处理后转录水平下降；第三类和第四类基因在春化后表达升高；第五类基因在春化后高表达，且在植物恢复到正常温度生长后仍保持高水平的表达；第六类和第七类基因则是在春化后的表达量最高。通过差异基因三元体（triads）分析，发现28.67%的三元体在春化过程中改变了其在不同亚基因组间的不对称表达模式，表明小麦亚基因组部分同源基因（subgenome homoeologs）可能在小麦的春化响应途径中存在功能分化（图1）。
图1. 小麦春化过程中的转录组动态变化。
为揭示小麦春化过程中全基因组组蛋白修饰的动态变化，该研究分别鉴定了春化过程中被H3K4me3、H3K9ac或H3K27me3修饰的位点及染色质开放的基因组区域，发现不同修饰的富集程度在不同春化条件的植株中呈现动态变化。相对于远端的富集峰而言，基因表达的动态变化与近端H3K4me3、H3K9ac及H3K27me3差异富集峰的动态变化相关性更高，而春化过程中的差异表达基因的转录水平与近端H3K4me3和H3K9ac的修饰更相关，与H3K27me3的相关性相对较弱，但是主要春化调控因子的表达受H3K27me3水平的影响，比如VRN1、TaGRP2和VRT2等（图2）。
图2. 小麦春化过程组蛋白修饰的动态变化。
鉴于基因表达变化和H3K4me3的高度相关性，研究人员进一步用高分辨的ChIA-PET技术分别检测了春化前后与活性转录标记H3K4me3相关的远程染色质相互作用。在春化前后分别鉴定到82370和90332个染色质互作环（chromatin loops），发现与H3K4me3相关的染色质互作频率与锚定基因（anchor gene）的转录水平正相关，包括已发表的小麦春化开花相关基因，特别是VRN1在不同亚基因上的三个部分同源基因（VRN1-A、VRN1-B和VRN1-D）。该研究同时用细胞学实验验证了春化前后春化关键调控因子VRN1位点上的染色质互作变化（图3）。
图3. 小麦春化过程中H3K4me3相关的全基因组染色质互作变化。
研究人员进一步利用基于ATAC-seq的转录因子印记分析，并与VRN1蛋白的DNA亲和纯化测序分析（DAP-seq）结果联合分析，发现春化关键调控因子VRN1是一系列染色质远程互作锚定基因的核心上游调控因子。数据表明，染色质互作环把春化相关基因聚集到一起，以实现这些基因被诸如VRN1、VRT2等上游重要调控因子的共转录调节（图4），我们称之为“牧羊”模型。为进一步探究染色质互作动态变化对春化响应过程的系统影响，进一步将转录印记和染色质互作信息结合，构建了春化前后的转录调控网络并发现一系列C2H2类锌指（zinc-finger，ZNF）编码基因在春化后的调控网络中被更多环聚集到一起。
图4. 小麦春化过程中通过H3K4me3相关的染色质环实现高效的基因转录。
研究人员对鉴定到的差异表达ZNF基因进行单倍型分析，发现有12个ZNF基因的不同单倍型在开花时间上存在差异，预示它们在小麦开花调节上的潜在功能。进一步的转基因功能验证，发现其中TaZNF10的超量表达使小麦开花延迟，而其关键结构域上的缺失突变体植株开花提前，而且它们与野生型间开花时间上的差异随着春化时间的不足而加大，说明TaZNF10基因参与小麦春化相关的开花调控过程。
图5. ZNF基因在春化介导的小麦开花调控中发挥作用。
上述研究结果近日以“Chromatin loops gather targets of upstream regulators together for efficient gene transcription regulation during vernalization in wheat”为题在 Genome Biology 杂志在线发表。华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室、湖北洪山实验室鄢文豪教授为通讯作者，刘艳艳博士、博士研究生许欣桐及已贺超博士为论文共同第一作者。作物遗传改良全国重点实验室李兴旺教授、高界博士，博士研究生晋留杰、周子茹、郭闽榕、陈川晔，已毕业硕士王新，及Ayaad博士参与了该研究工作。
华中农业大学小麦改良创新团队鄢文豪课题组围绕小麦高产、广适遗传调控基础解析开展研究工作，尤其关注重要产量及环境适应性性状背后的基因转录调控机制和关键基因功能的发掘和优异等位基因型、最佳调控回路的再设计，服务环境韧性高产小麦的培育。课题组建立了基因转录调控、遗传分析、单细胞生物学以及高效基因编辑等相关技术体系，更为重要的有一群崇尚人文活泼、团结奋进、肆意洒脱的工作、生活态度的优秀博士后和研究生带动课题组长一起开心工作，幸福生活。欢迎更多志趣相投的朋友加盟！
Genome Biology
doi:10.1186/s13059-024-03437-x
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基因和遗传学 | JCR Q1
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Chromatin loops gather targets of upstream regulators together for efficient gene transcription regulation during vernalization in wheat
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