六倍體小麥為什么具有廣泛的環境適應性?張一婧研究組合作解析普通小麥亞基因組非對稱調控機制

  2021年2月3日,The Plant Cell在線發表中國科學院分子植物科學卓越創新中心和中國科學院遺傳與發育生物學研究所合作完成的題為 “An atlas of wheat epigenetic regulatory elements reveals subgenome-divergence in the regulation of development and stress responses”的文章,揭示普通小麥亞基因組非對稱調控的分子機制,并同期發表編輯評論文章。

  廣泛種植的普通小麥(Triticum aestivum,2n = 6x = 42,AABBDD)基因組龐大(16 Gb)而復雜,由三個二倍體祖先草雜交加倍形成,包含三組相似的亞基因組。適應不同環境的二倍體基因組融合顯著提升了六倍體小麥的環境適應性。與其祖先種相比,普通小麥具有明顯的多倍化優勢,如植株更高大、種子更飽滿、具有更強的抗逆性。近年的研究揭示了普通小麥三套基因組的差異基因及差異表達模式,而亞基因組表達的時空調控特異性調控機制仍不清楚,龐大而復雜的基因組限制了機制研究的深入開展。

  作者利用定量表觀基因組分析方法,整合不同發育階段與環境處理的表觀組和轉錄組數據,鑒定到普通小麥中的上萬個基因遠端調控DNA元件,并將其與靶基因相關聯。作者進一步揭示了表觀調控元件在亞基因組間差異的表觀結構,這一差異決定了靶基因組織特異性表達的差異。調控元件亞基因組差異表觀結構的動態變化受到甲基化酶復合體PcG和去甲基化酶REF6的協同調控。

  在應對環境刺激過程中,調控元件表觀修飾的變化與靶基因的表達變化密切相關。以此為基礎,作者成功預測了脅迫響應因子并進行實驗驗證,進一步揭示響應因子在亞基因組間的差異結合與亞基因組間調控元件的密度差異及表觀遺傳修飾的定量差異協同互作。

  綜上,這一工作揭示了亞基因組非對稱調控的分子機制,及其在組織發育與逆境響應過程中的特異性作用(圖1-2)。為從遺傳和表觀遺傳互作角度解析普通小麥高度可塑性與廣泛環境適應性提供了新的線索。

  中國科學院分子植物科學卓越創新中心張一婧研究員和中國科學院遺傳與發育生物學研究所薛勇彪研究員為論文的共同通訊作者,中國科學院分子植物科學卓越創新中心博士生王梅月、張郁蕓和李子娟博士以及中國科學院遺傳與發育生物學研究所張玉娥副研究員、為論文的共同第一作者。南京農業大學張文利教授和中國科學院遺傳與發育生物學研究所童依平研究員合作參與本項工作。本項目得到國家自然科學基金創新研究群體項目以及中國科學院戰略先導研究計劃的資助。

  專家點評:

  The Plant Cell邀請密歇根州立大學的Sunil Kumar Kenchanmane Raju教授發表評論文章“Epigenomic atlas in wheat reveals regulatory elements specifying sub-genome divergence”。

  全基因組復制或多倍化事件在真核生物特別在開花植物中頻繁發生。多倍體化之后的進化歷程例如不對稱丟失,基因表達調節和表觀基因組重編程,深刻影響基因組復雜性并產生對進化有益的遺傳多樣性。與二倍體和四倍體祖先相比,異源六倍體普通小麥(Triticum aestivum,AABBDD)顯示出顯著的基因組可塑性和更廣泛的適應性,部分原因是由于異源多倍體形成了新的遺傳多樣性。如何整合定量分析研究小麥三個亞基因組的非對稱基因調控及環境應答是研究人員持續關注的一個問題。這項研究整合多種表觀組數據揭示了小麥亞基因組差異調控的分子機制,為在具有龐大而復雜基因組的多倍體中闡明遺傳和表觀遺傳互作機制提供了新的見解。

  論文鏈接:https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koab028/6126469

  評論文章鏈接:https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koab038/6126477

圖1.主要發現小結

上圖:在發育過程中,PcG復合體和REF6去甲基化酶協同調控H3K27me3動態變化導致調控元件在亞基因組間的活性差異,進而決定組織特異性。

下圖:在應激反應過程中,調控元件的密度,轉錄因子結合及表觀修飾協同作用決定亞基因組的差異響應。

圖2. 模型圖刻畫DNA調控元件,表觀因子與轉錄因子協同調控普通小麥亞基因組非對稱表達模式。

彩88app