浙江
2026年9月17日，华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室和湖北洪山实验室张献龙、王茂军团队在Cell发表了题为《3D chromatin remodeling during domestication defines novel targets for crop improvement》的研究。该研究围绕棉花驯化过程中三维基因组如何变化这一难题，对301份异源四倍体陆地棉材料展开系统分析。三维基因组折叠影响基因调控，植物中群体水平的染色质构象多样性及其与驯化表型的关系仍不清楚。华中农业大学王茂军教授和张献龙院士为该论文的通讯作者，博士后黄鲜晖、博士生彭雅滨、胡修宝、王悦瑾和张泽宇副教授为论文共同第一作者。
他们构建了301份材料的原位Hi-C图谱，包括34份半野生和267份栽培陆地棉，在开花后12天纤维中获得了337个Hi-C数据集，平均有效交互率达到93.7%，其中98.3%的文库达到4 kb分辨率。每个材料平均鉴定到9,268个TAD和13,849个染色质环，整合ATAC-seq和CUT&Tag后，研究团队划分出启动子、开放染色质、二价和抑制性Polycomb四类功能元件，覆盖约12.96%的基因组。这些数据形成了棉花群体规模的泛3D基因组图谱，为后续关联分析提供了基础。
研究团队开发了染色质互作组全关联分析框架CIWAS，把TAD边界绝缘分数、染色质环强度和基因表达、纤维品质连接起来。遗传力分析显示，TAD边界绝缘分数的遗传力高于基因表达，染色质环强度排在后面；QTL定位得到8,564个eQTL、6,107个tadQTL和2,709个loopQTL。eCIWAS发现1,880个TAD边界和860个环调控4,096个基因，tCIWAS则找到105个TAD重排和58个环重连与纤维品质相关，其中66个TAD和36个环对应纤维强度，40个TAD和27个环对应纤维长度。该框架对纤维强度和纤维长度的表型解释率分别提高16.46%和20.05%，超过GWAS与TWAS联合模型。
驯化比较显示，栽培棉与半野生棉之间存在1,807个分歧TAD边界和1,720个分歧染色质环，212.82 Mb的驯化选择区包含172个分歧边界和324个分歧环，其中84个边界和121个环可能被选择固定。3D染色质分歧与序列选择扫荡只有部分重合，开放染色质、H3K4me3和H3K27me3等表观特征频繁出现在驯化区。研究团队还发现，低绝缘分数和更锐利边界处的同源基因表达更高，D1亚基因组的结构变异性高于A1亚基因组，1,619个同源基因对在群体间出现表达偏倚分化，其中56.39%可由3D染色质、表观修饰和eQTL多层调控解释。
为寻找3D基因组的序列基础，研究团队优化了C.Origami模型，用2D卷积核预测染色质结构，实验与预测绝缘分数曲线的相关系数达到0.78，饱和突变鉴定出2,701个高影响片段，其中37.32%与TAD边界重叠。转录因子结合基序在边界和环锚点富集，C2H2锌指蛋白YY1成为保守候选，DAP-seq检测到98,422个YY1结合位点，Ghyy1突变体的纤维长度从25.30 mm降至23.36 mm，84.08%的TAD边界和67.00%的差异环出现YY1结合相关信号减弱。YY1还能结合GhTT16和GhPA2启动子，跨物种分析显示C2H2家族和YY1在多种植物TAD边界保守富集。
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