在植物学研究中，理解基因调控的演化不仅关乎单个基因的活动，还需要深入到染色质结构的组织层次，这一层次的调控机制对植物多样性和适应性具有重要影响。
回首2024年的过去十个月，植物三维基因组研究成果累然，包括植物的核小体级别高分辨率三维结构（2024， Nature Communications）、大豆不同组织在光调控的三维结构变化（2024，Plant Biotechnology Journal）、植物杂种优势的三维结构动态（2024，Journal of Integrative Plant Biology）、植物内三维结构和表观遗传修饰的关联（2024, Nucleic Acids Research）等等。伴随三维基因组技术的迭代和分析软件的升级，绘制植物基因组空间结构并解析其对基因转录调控的功能将在未来的植物调控研究中愈加关键。今天，小编以三篇文章做引，来一起回顾植物三维基因组研究的重要成果。
杂种优势，表现为杂交后代在生物量、生长速率、产量、适应性等多个性状上超越亲本。这一现象背后的机制可能涉及生理和代谢复杂调控的改变，从而调节生物量并引发杂种优势。然而，三维基因组结构如何精细地指导并决定杂种优势的生物学过程仍然是一个亟待解答的问题。例如，染色质高级结构动态调控的具体机制，以及诸如H3K27me3修饰如何协同调控植物杂种优势性状。
图1 文章发表情况
北京大学现代农学院邓兴旺院士和何航团队在国际著名期刊Journal of Integrative Plant Biology（IF：11.4）发表了题为“Increased long-distance and homo-trans interactions related to H3K27me3 in Arabidopsis hybrids”的研究论文。该研究利用拟南芥WT和clf突变体Col与C24之间的双向杂交，结合Hi-C、RNA-seq和H3K27me3 ChIP-seq技术，系统探究了杂种中三维基因组结构变化及其对杂种优势的影响。通过比较Col和C24之间约80万个SNP差异，将杂种中由不同亲本来源的染色体间相互作用进行分类。研究发现，H3K27me3修饰可能对植物杂种优势机制和三维基因组调控具有显著影响，并且homo-trans互作在基因组调控中发挥关键作用。总体而言，该研究揭示了受H3K27me3影响的长距离相互作用在植物杂种中的重要意义，并为进一步探索三维染色质组织与组蛋白修饰之间的内在机制提供了有价值的信息。菲沙基因承担了该研究的Hi-C相关工作。
图2杂交后代中，与杂种优势DEG相关的homo-trans互作位点的互作能力更强，H3K27me3修饰水平更高
基因组三维结构对于调节基因表达、维持基因组稳定性和基因组功能至关重要。尽管植物染色质中的高级结构compartment和TAD结构已经被鉴定，但是更精细的三维结构如启动子-增强子互作loop的研究仍然较少，且使用传统Hi-C技术得到的染色质互作的分辨率有限，很难突破1kb的“天花板”界限，这限制了人们对植物中顺式调控元件调节转录的理解。
图3 文章发表情况
北京大学现代农业研究院邓兴旺院士和何航团队在国际著名期刊Nature Communications发表了题为“Mapping nucleosome-resolution chromatin organization and enhancer-promoter loops in plants using Micro-C-XL”的论文，该研究团队与武汉菲沙基因合作对Micro-C-XL实验进行了改良使其适用于植物组织，并使用该技术在国际上首次绘制了多种植物（拟南芥、水稻、大豆）的染色质精细三维结构（分辨率<1kb）。研究团队重点对拟南芥的核小体级别（200bp分辨率）染色质互作进行了深入分析，鉴定出了启动子与超级增强子互作的loops和strips结构及介导这些互作的潜在蛋白，发现了基因转录过程在很大程度上对局部染色质结构起到了调控作用，进一步使用拟南芥Pol II突变体或抑制转录延伸的药物FVP处理，发现其在单基因水平直接影响了局部染色质结构，该研究成果加深了人们对植物染色质精细结构组织和转录调节的理解。足以显示，Micro-C-XL技术在描绘精细染色质结构和挖掘基因转录调控机制上将大有可为！
图4 Micro-C-XL绘制拟南芥核小体分辨率染色质互作图谱
染色质高级结构如loop、TAD、A/B compartment在基因调控中具有重要作用。光照作为调控植物发育的关键因素，影响种子形态及核架构动态，促进特定基因的转录激活与染色质重塑。然而，光照如何通过动态高级染色质结构精细调控基因表达的具体机制尚不完全清楚。
图5 文章发表情况
北京大学现代农业研究院邓兴旺院士和何航团队在Plant Biotechnology Journal（IF：13.8）发表了题为Light control of three-dimensional chromatin organization in soybean的论文。该研究通过整合Hi-C、CUT&tag和RNA-seq等多组学数据，系统研究了光对不同层级染色质高级结构的调控，揭示了光通过三维基因组介导不同器官的生长发育的调控机制。其中，研究定义了大豆不同组织中精细的染色质sub-compartment结构，揭示了这些sub-compartment与特定表观遗传标记、转录活性的紧密联系，特别是在光照条件改变导致的sub-compartment重排与基因表达变化之间建立了直接关联。此外，该研究发现光调控植物的特定TAD的动态变化影响SAURs基因家族的表达，进而调控植物的生长发育。研究还强调了光信号通过RNAPII活性和特定表观遗传修饰（如H3K27me3）在基因表达调控中的关键作用，为理解光调控植物基因表达和发育的机制提供了新的见解。菲沙基因承担了该研究的Hi-C实验部分相关工作。
图6 a：簇状SAURs组成的TADs结构在光/暗条件下的强度变化；b：簇状SAURs上的RNAPII在光/暗条件下的转录延伸；c：光形态建成过程中簇状SAURs的组织表达特异性；d：FVP抑制剂阻碍RNAPII转录延伸对植物生长发育的影响
三维基因组学研究揭示了基因组空间结构，对基因转录调控等核心功能有着深刻影响。菲沙基因凭借丰富的三维基因组学研究经验和技术优势，积极助力植物学领域研究。未来，菲沙基因将继续努力，致力于为该领域带来更多新见解和突破。
撰稿 | 市场部
审核 | 宋小云
