2024年5月17日，《分子生物學(xué)與進(jìn)化（Molecular Biology and Evolution）》（IF=10.6）在線發(fā)表了中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所（嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室深圳分中心）胡冠菁團(tuán)隊(duì)與愛荷華州立大學(xué)J.F. Wendel教授團(tuán)隊(duì)和佛羅里達(dá)州立大學(xué)H.W. Bass教授團(tuán)隊(duì)的論文，題為“Evolutionary dynamics of chromatin structure and duplicate gene expression in diploid and allopolyploid cotton“。該研究對(duì)異源四倍體和二倍體棉種的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和基因表達(dá)進(jìn)行全基因組圖譜繪制和比較分析，揭示了異源多倍化對(duì)核小體組織分布和染色質(zhì)可及性的影響，以及染色質(zhì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)改變與順式調(diào)控景觀進(jìn)化和重復(fù)基因表達(dá)進(jìn)化中的調(diào)控關(guān)系，著重闡明了對(duì)亞基因組不對(duì)稱和顯性特征的調(diào)控機(jī)制。

多倍體是真核生物中普遍存在的生物現(xiàn)象，是植物物種形成和適應(yīng)的重要機(jī)制。多倍化導(dǎo)致的整個(gè)基因組的DNA含量倍增，通常伴隨著細(xì)胞大小、細(xì)胞核體積和細(xì)胞周期等一系列核型特征的變化。這些基因組水平變化也可能改變表觀遺傳動(dòng)態(tài)、基因表達(dá)、蛋白質(zhì)表達(dá)，乃至分子間互作網(wǎng)絡(luò)。其中，多倍化在轉(zhuǎn)錄組水平對(duì)基因表達(dá)的大規(guī)模重塑效應(yīng)已經(jīng)被廣泛認(rèn)知，包括部分同源基因偏向表達(dá)（homoeolog expression bias，HEB）、非加性表達(dá)（nonadditive expression），表達(dá)水平顯性（expression level dominance， ELD）、亞基因組顯性（subgenome dominance）等重復(fù)基因表達(dá)進(jìn)化模式。然后這些現(xiàn)象的調(diào)控機(jī)制仍然不清楚，也限制了進(jìn)一步對(duì)基因表達(dá)調(diào)控的受選擇機(jī)制和其伴隨多倍化所產(chǎn)生的功能創(chuàng)新影響的理解。

本研究著眼于表觀水平染色質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控關(guān)聯(lián)，應(yīng)用差異微球菌核酸酶測(cè)序技術(shù)（differential nuclease sensitivity MNase-seq, DNS-seq），對(duì)異源四倍體陸地棉（Gossypium hirsutum，AADD，2n=4X=52），兩個(gè)二倍體親本棉種（AA或DD基因組）及它們的人工F1雜交二倍體（AD）進(jìn)行全基因組水平的核小體組織分布和染色質(zhì)可及性圖譜繪制。

比較基因組大小相差超過兩倍的A基因組和D基因組（1.8 Gb vs 0.8 Gb），較大的A基因組在二倍體中具有更寬的平均核小體間距，該差異在AD雜交二倍體中保持，而在AADD異源四倍體中顯著下降。同時(shí)在異源四倍體中，基因啟動(dòng)子區(qū)的染色質(zhì)可及性增加，并且在A和D亞基因組之間存在順式調(diào)控元件基序的趨同。這一系列染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化受伴隨多倍化序列變異的順式作用調(diào)控，與AADD啟動(dòng)子區(qū)轉(zhuǎn)座子元件的移除顯著關(guān)聯(lián)。

聯(lián)合分析啟動(dòng)子區(qū)的染色質(zhì)可及性與重復(fù)基因的表達(dá)進(jìn)化模式，本研究揭示了二倍體雜交和后續(xù)異源多倍化演化階段的不同調(diào)控效應(yīng)，涉及不同HEB和ELD模式的建成。研究還通過聯(lián)合分析核心組蛋白基因表達(dá)水平和染色質(zhì)順式調(diào)控景觀，闡釋了核小體組織分布與染色質(zhì)可及性之間的交互調(diào)控關(guān)系。

二倍體和異源多倍體棉花染色質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)化的研究

綜上所述，本研究展示了采用DNS-seq技術(shù)繪制高分辨率染色質(zhì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)圖譜的技術(shù)方法，并將其應(yīng)用于揭示染色質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)化對(duì)基因表達(dá)進(jìn)化動(dòng)態(tài)的調(diào)控機(jī)制，揭示了多倍體中包括亞基因組不對(duì)稱性和亞基因優(yōu)勢(shì)等多種重復(fù)基因表達(dá)進(jìn)化模式的調(diào)控基礎(chǔ)。

基因組所研究員胡冠菁為該論文的第一作者兼通訊作者，美國(guó)愛荷華州立大學(xué)院士/教授Wendel和佛羅里達(dá)州立大學(xué)教授H.W. Bass為共同通訊作者。基因組所博士后熊顯鵬、博士后祝德和基因組所與鄭州大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)碩士生李東明也參與了本項(xiàng)工作。該工作獲得了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金以及美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)資助。

原文鏈接：https://doi.org/10.1093/molbev/msae095