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研究人员为解析玉米调控序列进化，构建多组织染色质可及性图谱，揭示关键调控位点，助力玉米育种。
玉米，作为基因调控研究的经典遗传模型，自 Barbara McClintock 博士发现 “跳跃基因”—— 转座子（TEs）以来，便备受科研人员关注。其基因组约 2.3Gb，超 85% 由 TEs 构成，这种复杂的基因组结构使得基因调控机制极为精巧。遗传研究还发现，许多数量性状基因座（QTLs）位于非基因调控区域，这表明调控序列在玉米发育和性状变异中起着关键作用。
然而，尽管高通量染色质分析技术不断发展，如 ATAC-seq（转座酶可及染色质测序）等，能在碱基对分辨率上识别顺式调控元件（CREs），但玉米作为组织高度复杂的物种，现有 ATAC-seq 数据远不饱和。并且，在比较基因组学领域，虽然已知保守 DNA 序列对生物生存至关重要，但植物中广泛存在的调控序列的进化约束研究仍较少。此外，在玉米驯化过程中，相关调控序列的作用也尚不明确。
为了深入探究这些问题，来自中山大学深圳校区、山东农业大学、山东大学、中国农业大学等机构的研究人员展开了一项深入研究。该研究成果发表在《Nature Communications》上，为玉米的遗传改良和进化研究提供了重要依据。
研究人员运用了多种关键技术方法。首先是 ATAC-seq 技术，对 12 种主要玉米组织进行染色质可及性分析，构建多组织图谱。其次，通过比较基因组学方法，在 34 种禾本科物种和 4 个外群中追溯 ACRs 的进化轨迹。此外，利用 ChIA-PETs（染色质相互作用分析配对末端标签测序）数据确定 ACRs 调控的基因，并结合 GWAS（全基因组关联研究）分析性状相关 SNP（单核苷酸多态性，TASs）与 ACRs 的关系。
研究结果主要如下：
- 构建玉米多组织染色质可及性图谱：研究人员成功构建了涵盖 12 种主要玉米组织的染色质可及性图谱，共鉴定出约 80,365 个多组织 ACRs，约占玉米基因组的 2.9%。ACRs 主要分布在常染色质区域，根据与蛋白质编码基因的关系可分为基因内 ACRs（gACRs）、近端 ACRs（pACRs）和远端 ACRs（dACRs）。其中，dACRs 常位于 “基因沙漠” 区域，但在各组织中高度保守。此外，研究还发现 ACRs 中 TEs 的组成和分布具有特异性，且不同组织中存在丰富的转录因子（TFs）结合基序12。
- 玉米 ACRs 在其他禾本科基因组中的进化约束：通过比较基因组分析，研究发现 ACRs 的进化速度比蛋白质编码基因快。在禾本科物种中，只有约 1% 的玉米 ACRs 高度保守，而大量 ACRs（约 36.2%）是玉米特有的。这些玉米特有的 ACRs 主要位于远端区域，且近一半序列被注释为 TEs，表明 TEs 在玉米特异性 ACRs 的创新中起重要作用。进一步研究发现，受高度保守 ACRs 调控的基因富集在光合作用相关通路，而受玉米特异性 ACRs 调控的基因则主要参与植物免疫和防御反应以及花发育和形态发生通路34。
- ACRs 的种内约束及其与玉米驯化的关联：研究人员分析了 53 个非 B73 玉米基因组中 ACRs 的种内约束，发现约一半的 ACRs 在几乎所有玉米基因组中固定。通过与野生玉米（teosinte）的基因组比较，鉴定出 856 个可能参与玉米驯化的 ACRs。这些 ACRs 具有较高的 TE 组成，且位于远端非基因区域。研究还预测了调控这些 ACRs 的 TFs，发现 TCP 家族等 TFs 的基序显著富集。此外，通过 ChIA-PETs 数据发现，与这些 ACRs 相互作用的基因在独立的驯化基因列表中显著富集，且在玉米和野生玉米之间差异表达基因（DEGs）的比例更高56。
- 玉米两个亚基因组间 ACRs 的约束和优势：研究人员重建了玉米的两个亚基因组（m1 和 m2），发现 m1 和 m2 中高度保守的 ACRs 数量高于两者相互比较时的数量。m1 中亚基因组的 ACRs 数量和密度均高于 m2，且在特定基因对中，染色质可及性和基因转录的优势更为明显。此外，虽然两个亚基因组间的 TF 结合位点（TFBSs）大部分保守，但在启动子和远端 ACRs 中差异增强，且 m1 中具有更多的亚基因组特异性 TFBSs78。
- 玉米中高度保守 ACRs 富集性状相关 SNP：研究人员对 15 个复杂性状进行 GWAS 分析，发现 TASs 在 ACRs 中的密度显著高于非 ACR 区域，且在 m1 亚基因组的 ACRs 中密度更高。此外，TASs 在种内高度保守的 ACRs 中更为富集，这表明玉米复杂性状主要由 ACRs 中的遗传变异驱动，尤其是那些在不同玉米群体中固定的变异。研究人员还注释了一些位于 ACRs 中的 GWAS 位点，为进一步研究这些位点的功能提供了线索910。
研究结论与讨论部分指出，本研究构建的玉米多组织染色质可及性图谱，虽然尚未饱和，但仍是目前植物中较为全面的图谱之一。通过大规模比较基因组分析，研究人员揭示了玉米 ACRs 的进化约束，鉴定出与玉米驯化相关的候选 ACRs，为深入理解玉米驯化过程提供了新视角。同时，研究还强调了染色质可及性在维持亚基因组优势和控制复杂性状变异中的重要性。然而，研究也存在一些局限性，如需要更多其他作物的 ATAC-seq 数据来揭示玉米 ACRs 中 DNA 序列染色质可及性的真实程度，以及需要更精细的方法研究 TF 结合基序或 CREs 的进化约束等。尽管如此，该研究依然为植物进化表观基因组学的发展做出了重要贡献，为玉米遗传改良提供了丰富的数据资源和潜在的调控位点。
