您好,欢迎光临武汉菲沙基因信息有限公司
027-87224696 | marketing@frasergen.com | 中文|English 咨询客服
MARKET DYNAMICS—— 市场动态 ——
首页 > 市场与支持 > 市场动态
市场动态MARKET DYNAMICS

JIPB项目文章 | 北京大学现代农学院邓兴旺院士和何航团队解析影响植物杂种优势的染色质三维结构动态

发布时间:2024-4-2 11:03:55阅读次数: 分享到:

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。

近日,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。该研究使用Hi-C比较了拟南芥的正反交(F1:Col × C24和C24 × Col)后代与亲本之间的三维基因组结构。研究发现,F1的三维染色质组织相对于亲本具有更多的远距离相互作用,这些互作主要位于启动子区域,并且富含与杂种优势相关途径的基因。同时,F1中的异染色质与常染色质之间的相互作用增加,compartment强度减少,compartment domain(CD)边界的远端相互作用增加。此外,CURLY LEAF (clf) 突变使杂交种的杂交优势表型受损,并且相较于突变体亲本,clf突变杂交后代(clf-F1)的H3K27me3水平略低,远距离互作减少。多组学数据整合分析显示,野生型(WT)F1中远距离互作较多,可能是由于其CD边界附近的H3K27me3水平较高,并且与homo-trans(母本和父本同源染色体之间的相互作用)位点的相互作用有关。分析clf-F1和WT F1之间的差异表达基因,结果显示WT中远距离相互作用的增加影响CD边界基因和loop基因的表达,并且WT中远距离相互作用和loop区域的基因与clf F1相比具有不同的功能。这些发现为拟南芥杂交种的杂种优势提供了新的表观遗传解释,并为作物育种和产量增加提供了新的见解。菲沙基因承担了该研究的Hi-C相关工作。

文章信息


研究设计

▶ 研究材料:野生型拟南芥Col和C24,杂交种Col×C24和C24×Col;突变体拟南芥clfColclfC24clfCol × clfC24clfC24×clfCol

▶  组学技术:Hi-C、ChIP-seq、RNA-seq


研究结果

1


拟南芥父本、母本、杂交F1代的三维基因组结构

研究利用拟南芥种质Col和C24构建杂交组合Col×C24及反交C24×Col,所得F1代均展现出杂种优势。通过Hi-C技术,对亲本及F1代三维基因组结构进行系统比较。为确保样本间Hi-C数据处理的一致性,参照C24 SNP信息对TAIR10基因组进行调整,替换SNP位点为“N”,随后重新比对Hi-C数据至含N的TAIR10参考基因组。对比F1代与亲本三维结构,F1中大部分compartment与亲本相同,但AA与BB之内区室的强度减弱,A-B 之间区室强度增强,且F1展现出更多长距离相互作用,如常染色质与异染色质间互作。这些长距离互作区域主要位于启动子区。结合RNA-seq分析,研究发现相关差异表达基因(DEG)富集于与杂种优势关联的通路。

F1代表现出杂种优势,并且AA与BB之内的区室强度减弱,A-B compartment强度增强,长距离相互作用增多


拟南芥中部分TAD-like domain或compartment domain(CD)与H3K27me3相关。对比F1与亲本CD结构,二者总体保持一致,表明CD结构稳定性。结合H3K27me3 ChIP-seq数据,F1中临近长CD(≥100k)边界处的H3K27me3水平高于亲本,且F1 CD边界附近的多梳蛋白相关结构域的互作紧凑性(Distal-to-Local [log2] Ratio, DLR)升高,CD融合形成更大结构域并增加内部互作。因此,随着边界H3K27me3水平上升,F1 CD边界的远程调控能力增强。

F1 CD结构边界的远程调控能力增强且边界附近H3K27me3信号升高


进一步分析F1与亲本长距离互作loop的H3K27me3水平,发现F1中H3K27me3水平接近或高于亲本,提示H3K27me3变化可能影响长距离互作及loop形成。相关DEG在发育相关通路中富集,如茉莉酸生物合成相关基因LOX2、受伤反应与乙烯前体生成相关基因JR2在F1中表达上调,暗示loop形成促进基因差异表达。

H3K27me3相关loop促进发育相关基因差异表达


2


clf突变减少远距离相互作用并减弱杂种优势

引入影响长距离互作的clf突变体,探究其对杂种优势的影响。该研究发现,clf-F1杂种优势减弱,且远距离互作减少。比较野生型F1与clf-F1三维基因组结构,揭示3D基因组结构变化可能影响WT与clf突变体间某些功能基因。植物负调控相关基因在clf-F1活性compartment中富集。此外,clf-F1中,CD边界DLR值接近亲本中较低值,边界附近H3K27me3水平未超过亲本。clf-F1远距离loop(≥2M)的H3K27me3水平明显低于亲本。综上,H3K27me3可能影响杂种优势中的远距离互作。

clf-F1整体远程互作水平低于亲本,且杂种优势减弱


3


野生型中,远程互作增加影响CD边界基因和loop基因的表达

比较F1与亲本DEG,野生型中,CD边界、CD区域与其他基因组区域间DEG显著变化,特别是CD边界与其他区域之间的差异;clf突变体中,三区域DEG差异较小,且TE数量少于野生型。clf中远程互作减少影响杂种与亲本间DEG差异程度。聚焦loop结构基因,clf突变体中clf-F1与亲本间差异基因主要涉及有丝分裂细胞周期过程、细胞增殖、有丝分裂因子;野生型中,F1与亲本间差异基因主要与茉莉酸和水杨酸反应、免疫系统调节相关。基因功能分化可能与杂种优势调控有关。clf突变体背景下的长距离相互作用相关的基因主要富集在细胞周期调控通路。这些独特存在于长距离相互作用中的基因表现出不同的富集特征。同时,在WT F1中,具有独特长距离相互作用的DEG在F1中的表达水平高于亲本。在clf-F1中,这些基因的表达水平则低于亲本。如昼夜节律、冷驯化、干旱恢复和热驯化相关基因COR15A、参与交替呼吸和线粒体功能的AOX1D,以及参与光合作用和葡萄糖响应的GPT2。此外,KEE区域(KNOT-engaged element)在野生型F1中互作强度大于clf-F1,再次证明WT F1中存在更多远距离互作。

基因功能分化可能与杂种优势调控有关


4


homo-trans互作和远程互作增加有关

该研究通过识别Col和C24亲本间的大量SNP,系统分析了杂交后代三维基因组结构中不同染色体间的相互作用,并着重考察了源自双亲不同染色体的互作(homo-trans互作)。研究发现,在展现杂种优势的野生型中,homo-trans互作区域的H3K27me3修饰水平较高,且具有更强的远距离调控能力(DLR)。在此基础上,进一步量化了与杂种优势相关的DEG在homo-trans互作位点上的染色质互作强度,结果显示野生型F1中这些互作强度增强,而在clf-F1中则减弱,且影响了发育和应激反应相关基因的表达。此外,通过对杂交后代RNA-seq数据进行等位基因特异性表达(ASE)分析,揭示了WT F1中父母等位基因的表达模式较为稳定,而clf-F1中这种稳定性有所丧失,表现为Col=C24基因比例减少和C24_Low基因的ASE偏向反转。综合来看,homo-trans互作位点通过强化远距离相互作用和自身互作效能,对杂种优势相关基因表达具有重要影响。

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


小结

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。


北京大学现代农学院博士后高照旭、现代农学院博士生苏晏宁为论文共同第一作者;邓兴旺院士和何航研究员为共同通讯作者;北京大学现代农学院博士生常乐、王泽家,北京大学生命科学学院博士生焦冠中,北京大学现代农学院博士后杨枚、藕洋、徐超、刘文文、和孙林华,以及北京大学已毕业博士生刘鹏涛、北京林业大学已毕业博士生祁泽文也同时参与了工作;北京大学生命科学学院何光明副研究员为本研究做出了重要贡献。研究得到了国家自然科学基金、山东省重点研发计划、山东省自然科学基金、北京大学现代农业研究院院长基金、中国博士后科学基金面上项目和北京大学博雅博士后项目的支持。生物信息学分析得到了北京大学现代农业研究院高性能计算服务器的支持。


参考文献:Gao Z, Su Y, Chang L, et al. Increased long‐distance and homo‐trans interactions related to H3K27me3 in Arabidopsis hybrids[J]. Journal of Integrative Plant Biology, 2024.

农学科研
表观遗传
基因组
重测序
转录调控
微生物
生物信息学服务
医学临检
实体瘤基因检测
血液肿瘤基因检测
心血管精准用药基因检测
单基因遗传病基因检测
病原基因检测
医学科研
三代测序技术
单细胞测序技术
二代测序技术
三维基因组学技术
市场与支持
市场动态
菲沙课堂
产品速递
关于菲沙
菲沙简介
菲沙团队
菲沙成果
技术平台
合作伙伴
联系我们
加入我们
校园招聘
社会招聘
联系我们
  • 电话:027-87224696
  • 传真:027-87224785
  • Email:support@frasergen.com
  • 地址:中国湖北省武汉市东湖高新技术开发区高新大道666号光谷生物城D3-1栋三楼
微信公众号
Copyright © 2018武汉菲沙基因信息有限公司 鄂ICP备13010493号-1. All Rights Reserved Designed by Wanhu