2024 年 7 月 30 日，中国农业科学院作物科学研究所路则府课题组在 Genome Biology 杂志上在线发表题为“Epigenomic identification of vernalization cis-regulatory elements in winter wheat”的研究论文，构建了冬小麦不同组织的开放基因组、组蛋白修饰图谱和转录组，鉴定了春化关联的调控元件，揭示了TaSPL7/15参与调控冬小麦春化过程的分子机制。
冬小麦的分布式春化响应
本研究以重要小麦品种矮抗58为材料，构建了春化前后多组织（叶片、分蘖芽和顶端分生组织）的开放基因组、关键组蛋白（H3K27ac，H3K36me3，H3K4me3和H3K27me3）修饰图谱和转录组（图1）。研究结果表明小麦不同组织的分布式春化响应，不同组织间的表观和转录组响应重叠较少。
图1 冬小麦不同组织的分布式春化响应
表观修饰调控的
小麦春化响应
结合表观修饰图谱和转录组数据，本研究发现不同组蛋白修饰在小麦春化响应过程中具有不同的作用。通过对比不同组蛋白修饰，作者发现H3K27me3与小麦春化过程中基因的上调表达相关，而对基因下调表达的影响较小。GO富集分析结果显示，不同组蛋白修饰与不同的生物学过程相关（图2）。
图2 表观修饰调控的小麦春化响应
春化相关调控元件的鉴定
进一步地，作者鉴定了10600个春化关联的远端调控元件，并挖掘了春化关联的转录因子，构建了春化过程的调控网络。比对A，B，D三个亚基因组上的调控元件，发现部分远端调控元件与其他亚基因组的近端调控元件同源，并且一些调控元件与特定转座子亚类相关，暗示远端调控元件来自于转座子，或可能由转座子插入推远近端元件所致。
图 3 小麦春化相关调控元件的鉴定
TaSPL7/15结合VRN1启动子
和VRN3增强子调控小麦春化
基于春化关联的调控元件和转录因子，作者发现年龄途径的SPL类转录因子在春化过程中可能扮演着重要角色。结合实验室已发表的SPL的DAP-seq数据（Low-affinity SPL binding sites contribute to subgenome expression divergence in allohexaploid wheat），发现TaSPL7/15能够结合VRN1的近端调控元件和位于VRN3上游30kb的远端调控元件。spl7aabbdd spl15aabbdd敲除突变体在缩短低温春化处理时间表现出开花延迟，表明了TaSPL7/15参与春化过程，进而调控冬小麦开花（图4）。
图4 TaSPL7/15结合VRN1和VRN3的调控元件
参与春化调控冬小麦开花
结论与讨论
该论文综合多种表观基因组学数据，描绘了冬小麦不同组织的分布式春化响应，并解析了年龄途径TaSPL7/15参与春化调控冬小麦开花的机制。在冬小麦春化过程中，VRN1周围的H3K27ac，H3K36me3 和 H3K4me3修饰增加，H3K27me3修饰减少,染色质开放性增加；VRN2周围染色质开放性降低；VRN3上的 H3K27ac水平增加，同时远端调控元件上的 H3K27ac 水平也增加，而H3K27me3水平降低。众多转录因子参与该过程，其中TaSPL7/15通过结合VRN1启动子和VRN3远端调控元件激活它们在叶片和顶端分生组织中的表达，进而参与冬小麦春化过程（图5）。
图5 冬小麦春化调控网络模式图
该研究在中国农业科学院作物科学研究所小麦基因组学与应用团队师生的共同努力下完成。路则府 研究员和研究组 裴洪翠 助理研究员为论文的共同通讯作者，博士生 刘衍宏、助理研究员 刘盼 和副研究员 高丽锋 为论文的共同第一作者。中国科学院遗传发育所农业资源研究中心 王磊 研究员、中国科学院遗传与发育生物学研究所 童依平 研究员、河南农业大学 郑旭 教授、中国农业科学院作物科学研究所 贾继增 研究员在该论文的实验材料和课题推进上给予重要指导。已毕业硕士生 李雨珊 和科研助理 任雪妮 在表观文库构建上给予帮助。特别感谢佐治亚大学 Robert J Schmitz 教授在论文写作上的建议。感谢中国科学院遗传与发育生物学研究所 李婷 老师在仪器使用上的帮助。研究得到了国家重点研发计划（2022YFF1002903）、国家自然科学基金优秀青年科学家项目（海外）、河北省自然科学基金（C2022503003）、中国农业科学院创新工程和农业科技创新计划等项目的资助。 |
Low-affinity SPL binding sites contribute to subgenome expression divergence in allohexaploid wheat
藏粮于地、藏粮于技，作物科学是农业发展的关键。为促进作物领域科技创新进展交流，加强创新人才培养，弘扬学科优秀文化，推动现代农业高质量发展，在国内兄弟单位大力支持下，中国农业大学农学院牵头创立“作物科学联盟”公众号，旨在搭建作物科学领域创新思想的交流平台，弘扬科学家精神，传播科技兴农的新理念、新技术、新产品，引领全国作物学学科的创新与发展。
