2019年7月22日，Nature Plants在線發表了來自華中農業大學作物遺傳改良國家重點實驗室周道繡教授課題組題為「Single-cell three dimensional genome structures of rice gametes and unicellular zygote」的文章。該研究分析了植物配子、合子和葉肉細胞的染色質空間結構，首次從單個細胞水平揭示了植物染色質的三維基因組特徵，展示了配子在受精前後的染色質空間結構的變化及其與基因表達的關係，對於研究合子基因組激活和胚胎發育的染色質基礎，解析親本基因組互作及其在雜種優勢形成中的機制都具有十分重要的意義。
染色質三維基因組是表觀基因組研究方向的重要組成部分，研究染色質三維基因組對於理解染色質生物學、染色質修飾和基因表達的表觀調控機制十分重要。近年來發表的植物染色質三維空間結構主要是通過運用原位Hi-C技術在混合的植物組織或器官樣品中獲得，實際上是成千上萬個不同細胞的平均值結構。
在本研究中，作者開發了一種植物單細胞Hi-C技術（scHi-C）。利用該技術作者分別解析了水稻精細胞、卵細胞、合子細胞和葉肉細胞等單細胞的染色質三維空間結構。發現每個細胞中染色質的空間摺疊不同，說明染色質的空間結構實際上是一個動態的結構。相對於卵細胞和體細胞而言，精細胞和合子染色質三維結構表現出了更為緊密的摺疊狀態。與動物細胞中端粒和著絲粒分別聚集在細胞核兩極的結構不同，水稻上述四種細胞類型的染色體端粒和著絲粒零散地分布在細胞核中。另外，水稻染色體在空間上一般摺疊成兩個或三個相對獨立的區域，功能不同的區域在核內以相互嵌合的形式分布，也與動物細胞中的結構完全不同。這些染色質空間結構特徵可能是植物基因表達的靈活性和可塑性的基礎。同時，作者也發現基因表達水平相同或具有類似組蛋白修飾的基因組區域在空間上有明顯的局部富集，且表達量越高的區域在空間上相互靠近的可能性越高，說明植物中很多基因的表達具有共調控機制。
在受精過程中，精細胞和卵細胞融合形成合子。親本染色質在合子中如何在空間上融合和重新組合還不清楚。本研究發現在雌配子中有一個動態的稱為CSC的空間基因沉默中心。在雌配子中CSC抑制部分基因表達。受精後，CSC在合子中重新組合，導致原來在雌配子中受抑制的基因得到激活，而另一部分在雌配子和雄配子中原本表達的基因則被抑制。因此，動態的染色質CSC空間結構在合子基因組激活和合子基因表達重編程中以及胚胎早期發育中起十分重要的作用。
綜上所述，本研究開發了植物單細胞Hi-C技術，利用可視化三維基因組的方法解析了水稻配子和合子單細胞染色質三維空間結構，探究了水稻單細胞中染色質空間排布特點，揭示了染色質三維空間結構的動態變化及其與合子基因組激活之間的內在關係。該研究成果為理解植物三維基因組結構和受精前後染色質三維空間變化過程及其與植物基因表達的關係奠定了基礎。不同背景來源的兩個親本基因組之間的互作正是雜種優勢產生的遺傳基礎。本研究對於解析親本基因組在合子中的互作在雜種優勢形成中的機制也具有十分重要的意義。
周少立博士為本文的第一作者。周道繡教授為本文通訊作者。趙毓教授和博士生蔣瑋共同參與了本研究工作。本項研究受國家重大研發項目，國家自然科學基金和博士後創新計劃的支持。
註：該文轉自pbj公眾號
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