北京大学现代农业研究院邓兴旺团队和何航团队发现光调控植物染色质高级结构

近日，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发表了题为Light control of three-dimensional chromatin organization in soybean的论文，首次揭示了光对染色质高级结构的调控作用。

染色质的高级结构对基因组稳定性、转录程序及表观修饰活性等多个生物学过程具有调控作用，但其对植物生长发育和环境响应过程的变化规律和调控机制尚不明确。该论文以植物接收光并影响其生长发育的过程为研究对象，为回答这一问题提供了新方向。

从上世纪90年代起，以邓兴旺为代表的植物科学家做出一系列研究工作，形成了以多个光信号因子为核心的植物光形态建成分子机制经典理论。近年来，有研究发现植物见光后的染色质紧密程度发生明显变化，并伴随全基因组水平的组蛋白修饰水平改变。为系统性研究染色质高级结构变化，研究团队将持续暗中和光下分别生长4天的大豆幼苗的子叶、弯钩和下胚轴进行Hi-C（High-throughput chromosome conformation capture）实验并构建超高分辨率染色质互作图谱，发现无论是子叶、弯钩还是下胚轴，光信号都能增强染色质互作强度。

图1 多组学联合解析大豆光形态建成的染色质高级结构调控作用 （a：光形态建成研究体系和白光光谱；b：大豆光形态建成表型；c：多组学实验设计示意图）

通过染色质修饰的CUT&tag实验，常染色质和异染色质区域被鉴定出来，异染色质主要集中分布在近着丝粒区域，占基因组57%。在光下，除了整体异染色质强度增强之外，光信号还导致了部分常染色质与异染色质之间的互相转换。相比于子叶和弯钩，下胚轴出现了最多的染色质转换事件。尤其是在光诱导下异染色质转变为常染色的区域中，大多数基因表达被激活，其中包括典型的光诱导表达基因SAURs（Small Auxin Up-regulated RNAs）家族。该基因家族在大豆中拥有244个成员，其中的162个基因在基因组上呈大小不一的簇状分布，在簇内共表达分布。图2所示即为一个300kb的TADs（Topologically associated domains）内，包含了25个SAURs成簇基因。见光后下胚轴中的TADs结构相比暗中要明显紧缩，并且该组织的SAURs成簇基因共同表达被激活，说明TADs可能介导了光下组织特异性转录调控。

图2 TADs参与了成簇SAURs基因对光信号的组织特异性响应 （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RNA Polymerase II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：flavopiridol（FVP）抑制剂阻碍RNA Polymerase II转录延伸对植物生长发育的影响）

综上所述，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。

北京大学现代农业研究院与以色列特拉维夫大学联合培养博士研究生李竹和北京大学现代农业研究院孙林华博士为论文共同第一作者；北京大学现代农业研究院邓兴旺院士和何航研究员为共同通讯作者；北京大学现代农业研究院科研助理徐晓和刘禹彤参与了本项研究。本研究得到了国家自然科学基金重点项目、山东省重点研发计划、北京大学博雅博士后奖学金的支持。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。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.14372