六倍體小麥為什麼具有廣泛的環境適應性?張一婧/薛勇彪合作解析普通小麥亞基因組非對稱調控機制

2021-02-13 中禾生物

2021年2月3日，中國科學院分子植物科學卓越創新中心張一婧研究組和中國科學院遺傳與發育生物學研究所薛勇彪研究組合作在The Plant Cell在線發表了題為An atlas of wheat epigenetic regulatory elements reveals subgenome-divergence in the regulation of development and stress responses的研究論文，揭示了普通小麥亞基因組非對稱調控的分子機制。The Plant Cell同期發表了關於該該工作的評論文章，題為Epigenomic atlas in wheat reveals regulatory elements specifying sub-genome divergence。

廣泛種植的普通小麥（Triticum aestivum，2n = 6x = 42，AABBDD）基因組龐大（16 Gb）而複雜，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，龐大而複雜的基因組限制了機制研究的深入開展。該研究利用定量表觀基因組分析方法，鑑定到普通小麥中的上萬個基因遠端調控DNA元件，並將其與靶基因相關聯。研究人員進一步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)。這一工作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。

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圖1：主要發現小結。上圖：在發育過程中，PcG複合體和REF6去甲基化酶協同調控H3K27me3動態變化影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。
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，博士生王梅月、張鬱芸和張玉娥副研究員、李子娟博士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。

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