小麦改良创新团队揭示春化过程中的基因转录调控“牧羊”模型

　　

南湖新闻网讯（通讯员 许欣桐）近日，华中农业大学植物科学技术学院小麦改良创新团队鄢文豪教授在Genome Biology 杂志上在线发表了题为“Chromatin loops gather targets of upstream regulators together for efficient gene transcription regulation during vernalization in wheat” 的研究论文，揭示了小麦春化过程中，染色质环将核心调控因子的下游靶标基因聚集，促进上游调控因子对下游靶标的高效激活的调控模式。 作者将这种调控模式命名为“牧羊”模型，为理解植物响应并适应环境条件变化提供了新的视角。

冬小麦需经历特定的长时间低温才能在温暖的春天抽穗开花，这种现象被称为春化。植物中春化相关调节因子的转录受到表观遗传的调控。春化关键调节因子VRN1的转录主要与组蛋白修饰的动态变化相关。春化作用对冬小麦的安全过冬并在合适的时间抽穗开花至关重要，然而，植物如何通过改变自身的基因表达快速适应春化低温仍不得而知。

该研究通过对不同春化处理的冬小麦（矮抗58）材料进行转录组分析，共鉴定到17669个差异表达基因，这些差异表达基因聚成了七类。其中，第一类和第二类基因在春化前的表达最高，长时间春化处理后转录水平下降；第三类和第四类基因在春化后表达升高；第五类基因在春化后高表达，且在植物恢复到正常温度生长后仍保持高水平的表达；第六类和第七类基因则是在春化后的表达量最高。通过差异基因三元体（triads）分析，发现28.67%的三元体在春化过程中改变了其在不同亚基因组间的不对称表达模式，表明小麦亚基因组部分同源基因（subgenome homoeologs）可能在小麦的春化响应途径中存在功能分化（图1）。

图1. 小麦春化过程中的转录组动态变化

为揭示小麦春化过程中全基因组组蛋白修饰的动态变化，鉴定了春化过程中被H3K4me3、H3K9ac或H3K27me3修饰的位点及染色质开放的基因组区域，发现不同修饰的富集程度在不同春化条件的植株中呈现动态变化。相对于远端的富集峰而言，基因表达的动态变化与近端H3K4me3、H3K9ac及H3K27me3差异富集峰的动态变化相关性更高，春化过程中的差异表达基因的转录水平与近端H3K4me3和H3K9ac的修饰更相关（图2）。

图2. 小麦春化过程组蛋白修饰的动态变化

鉴于基因表达变化和H3K4me3的高度相关性，研究人员进一步用高分辨的ChIA-PET技术分别检测了春化前后与活性转录标记H3K4me3相关的远程染色质相互作用。在春化前后分别鉴定到82370和90332个染色质互作环（chromatin loops），发现与H3K4me3相关的染色质互作频率与锚定基因（anchor gene）的转录水平正相关，包括已发表的小麦春化开花相关基因，特别是VRN1在不同亚基因上的三个部分同源基因（VRN1-A、VRN1-B和VRN1-D）。该研究同时用细胞学实验验证了春化前后春化关键调控因子VRN1位点上的染色质互作变化（图3）。

图3. 小麦春化过程中H3K4me3相关的全基因组染色质互作变化

他们进一步利用基于ATAC-seq的转录因子印记分析，并与VRN1蛋白的DNA亲和纯化测序分析（DAP-seq）结果联合分析，发现春化关键调控因子VRN1是一系列染色质远程互作锚定基因的核心上游调控因子。数据表明，染色质互作环把春化相关基因聚集到一起，以实现这些基因被诸如VRN1、VRT2等上游重要调控因子的共转录调节（图4），我们称之为“牧羊”模型。为进一步探究染色质互作动态变化对春化响应过程的系统影响，进一步将转录印记和染色质互作信息结合，构建了春化前后的转录调控网络并发现一系列C2H2类锌指（zinc-finger，ZNF）编码基因在春化后的调控网络中被更多环聚集到一起。

图4. 小麦春化过程中通过H3K4me3相关的染色质环实现高效的基因转录

研究人员对鉴定到的差异表达ZNF基因进行单倍型分析，发现有12个ZNF基因的不同单倍型在开花时间上存在差异，预示它们在小麦开花调节上的潜在功能。进一步的转基因功能验证，发现其中TaZNF10的超量表达使小麦开花延迟，而其关键结构域上的缺失突变体植株开花提前，它们与野生型间开花时间上的差异随着春化时间的不足而加大，说明TaZNF10基因参与小麦春化相关的开花调控过程。

图5. ZNF基因在春化介导的小麦开花调控中发挥作用

审核人 鄢文豪