2020年5月29日，The Plant Cell在线发表了福建农林大学王凯教授课题组题为Genome-wide Characterization of DNase I-hypersensitive Sites and Cold Response Regulatory Landscapes in Grasses的研究论文。该论文采用DNase-seq技术构建了三个禾本科物种（高粱、小米和二穗短柄草）不同组织在对照与冷处理条件下的高分辨率顺式调控元件图谱，并深入揭示调控元件在各组织的分布及冷响应动态特征。
植物经过长期环境驯化，演化出了复杂的基因表达调控机制。非编码的顺式作用元件即是参与这一调控作用的重要一环。顺式元件往往只有几个碱基大小，广泛分布于基因组的各个区域，这些区域可以是紧邻基因的上下游甚至基因内部，亦可能是远离基因的区域乃至不同染色体上。同时，这些顺式元件通过快速的序列演变或位移重组推动着目标基因的时空表达变化，进而可以实现性状的适应性演化。这种通过改变非编码的顺式元件来实现物种性状演化的“低成本”方式已被证实广泛存在于真核生物。
DNase I 超敏感位点 (DNase I-hypersensitive sites, DHS) 被认为是鉴定顺式元件的金标准。这项研究中，作者基于DNase-seq构建了高粱，小米及二穗短柄草三个禾本科物种根、茎、叶的高分辨率DHS图谱。通过不同组织及不同物种间的比较，证实了顺式调控元件具有高度的物种及组织特异性；结合Hi-C分析，指出组织特异表达基因的调控元件呈现显著的远距离分布（>10kb）及多调控元件参与特征（图1），从而暗示发掘和揭示组织特异基因调控机制的困难，而作者通过尝试分析一个根特异表达基因周围的DHS也指出，DHS图谱可以帮助准确鉴定候选调控元件。
图1. 组织特异表达基因顺式调控元件分布特征。（a）组织特异表达基因周围分布的组织特异DHS数量随距离增加数量累积分布图。（b）基因组织间表达差异度与该基因周围分布DHS数量关联分析。
本研究也分析了冷处理后诱导表达的DHS位点，证实各组织间冷响应DHS位点的高度特异；有意思的是，通过与已知转录因子motif数据库比对，发现不同组织中参与冷响应的转录因子表现出高度的一致性 （图2）。说明尽管不同物种及组织参与冷响应的顺式调控元件发生了高度差异化，但参与调控的反式作用因子（转录因子）是具有共性的。作者鉴定出了在所研究的所有9个组织中均被冷诱导的17个转录因子，并构建了相应的调控网络。
图2. 冷响应转录因子及其调控网络。（a）冷响应转录因子在各组织高度重叠。（b）17个高度保守的冷响应转录因子的调控网络 。
综上所述，该研究构建了禾本科植物的高分辨率顺式调控元件图谱。该研究为不同物种尤其是禾本科作物高粱、小米以及其近缘物种冷胁迫的转录调控机制研究提供了有力工具。
福建农林大学农学院/海峡联合研究院博士生韩金磊为该论文的第一作者，王凯教授和唐海宝教授为共同通讯作者，美国Nebraska-Lincoln大学James C. Schnable教授和Chenyong Miao博士参与了该项研究。该工作得到了国家自然科学基金，福建省高峰学科建设项目的资助。
https://doi.org/10.1105/tpc.19.00716
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