再获突破!河南农业大学殷冬梅教授团队发布首个花生三维基因组图谱

2021年11月19日23:22

来源:大河网

大河网讯(记者 臧小景 通讯员 陈玺  张幸果)近日,河南农业大学殷冬梅教授团队首次绘制了花生三维基因组(Three-dimensional (3D) chromatin organization)图谱,综合Hi-C、ATAC-seq、多组织表达谱联合分析和3C等实验揭示了染色质空间结构特征及其对花生株型的影响,在国际基因组学顶级期刊《Genome Biology》(5Y IF 17.433)发表了题为“Chromatin spatial organization of wild type and mutant peanuts reveals high-resolution genomic architecture and interaction alterations”的研究论文。

这项研究拓展了人们对花生3D基因组与基因调控之间关系的理解,促进了花生功能基因组学研究,为开展花生遗传改良和种质创制提供了重要的理论创新与技术支撑。

这是继2018年全球首次发布高质量野生异源四倍体花生基因组、2019年成功破译了处于重要驯化位置的唯一的异源四倍体野生花生A.monticola(2n = 4x=40)后,河南农业大学殷冬梅教授团队的再次突破。

一粒花生的每条染色体包含有70到150兆的碱基对,它们是如何紧密折叠在直径为10微米小的细胞核内呢,而且还要在极度压缩的情况下,精确地调控数量庞大的调控元件去表达56000多个基因?不同于传统二维视角下直线型的DNA,花生的三维基因组图谱就像20多条藤蔓在大自然的造化下立体、复杂又精密地组合在一起,对花生的基因进行表达和调控。

栽培花生(AABB, 2n=4x=40)是由两个野生二倍体杂交形成的异源四倍体,其高度同源的A和B亚基因组极大增加了花生基因调控的复杂性。该研究绘制了矮秆突变体及其野生型的三维基因组图谱,发现花生的染色质结构存在大量的A/B区室(A/B compartment)、拓扑结构域(TADs)和广泛的染色质相互作用。花生大部分染色体臂(52.3%)存在基因密度高、转录水平高的活性区(A区),突变体中有2.0%的B区室转换为活性区。突变体A亚基因组和B亚基因组的顺式互作数分别为11493和16058,具有更多特异性的顺式相互作用,主要富集在Chr.03、Chr.14和chr.15等染色体上。

在花生3D图谱中,野生型和突变体共鉴定有6700多个TADs,特异性TADs边界对生物功能至关重要,花生TAD边界区基因表达水平和基因密度高、 GC含量较低,具有多个序列Motif(HMG和ARF-2)。通过ATAC-seq技术在全基因范围内检测突变体和野生型的染色质开放性变化,鉴定得到1805个差异显著的peaks。研究发现突变体中由于顺式元件之间的相互作用形成了一个新的TAD,该染色质空间结构的变化使得远离目标基因的调控元件AP2EREBP-binding motif接近其目标基因GA2ox gene,促进其转录,降低活性GA含量,最终导致植株矮化表型。该研究首次提供了花生基因组三维结构和染色质可及性的全基因组特征,为理解植物染色质组织和基因调控之间的关系提供了新的思路。

河南农业大学殷冬梅教授、国际半干旱研究所Rajeev Varshney院士和美国农业部农业研究中心郭宝珠研究员为论文共同通讯作者;河南农业大学张幸果副教授、国际半干旱研究所Manish Pandey和佛罗里达大学王建平教授为共同第一作者。该研究得到了国家自然科学基金-河南联合重点项目、中原基础研究领军人才和河南省产业技术体系岗位专家等项目资助。

殷冬梅教授领衔的河南农业大学花生功能基因组创新团队,主要从事花生种质资源创制与分子育种,基因组与功能基因挖掘,品质性状形成机制与调控等方面的研究。围绕花生品质和产量等重要科学问题开展工作,已在Advanced Science、Genome Biology、Gigascience、J.Proteome Res等国际著名期刊上发表了多篇学术性文章,取得多项原创性研究成果。在2019年的国际花生科学与技术大会上,殷冬梅教授作特邀报告并荣获AAGB杰出贡献奖,这也是国际花生组织最高荣誉。2020年,殷冬梅教授主持完成的“花生高产优质遗传基础解析与新品种研制及应用”获高等学校科学研究优秀成果奖(科学技术)科技进步奖一等奖,也是全国高校获得的首个花生一等奖。

编辑:李瑞  审核 :新闻总值班

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