我校学者联手绘制玉米高分辨三维基因组图谱

  • 日期:01-09
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南湖新闻网(科学与宣传系通讯员彭勇)近日,我校李兴旺教授、严建兵教授和李国梁教授组成团队,首次利用长阅读ChIA-PET技术绘制出活跃表达基因的玉米高分辨率三维基因组图谱,识别基因组中顺式调控元件的三维相互作用模式,揭示玉米三维基因组结构调控基因表达的潜在机制,进而影响表型变异。6月14日,研究结果在线发表在国际学术期刊《Nature Communications》上,标题为“时序相互作用图揭示玉米定量训练的遗传规律”。

三维基因组方法成为破解遗传机制的“关键”。

玉米基因组中80%以上的序列位于基因间区域,该区域包含许多已被鉴定影响重要农艺性状的遗传变异,例如一些已被证实的调控元件,包括促进玉米植株花青素合成的基因b1、影响玉米分蘖的tb1、控制开花期的vgt1和ZmCCT9等。然而,位于基因间区的顺式调节元件影响玉米基因表达的机制仍不清楚。

基于动物模型的相关研究发现,远程顺式调节元件主要通过与目标基因的空间接近来发挥作用。因此,利用三维基因组分析玉米顺式调控元件的作用机制就显得尤为重要。然而,传统的三维结构研究方法受到精度低等因素的限制,难以获得高分辨率的三维结构图,这制约了科学家破解这一机制。

联合绘制玉米高分辨率3D基因组图谱的创新方法

生物科学院、植物科学院和我校信息科学学院研究团队的跨领域合作。利用创新的实验方法,产生了核糖核酸聚合酶(RNAPI)和H3K4me3抗体的长读ChIA-PET数据,成功构建了精确到基因水平的玉米高分辨率3D基因组图谱。

本研究首先利用不同组蛋白修饰的芯片序列数据确定了玉米品种B73幼苗叶片基因的启动子区。同时,利用开放染色质间隔和脱氧核糖核酸甲基化数据,鉴定了远程顺式调控元件。长读ChIA-PET实验结果表明,RNAPII介导的染色质远程相互作用,H3K4me3修饰区(主要是启动子区)参与了个远程相互作用。基于两个ChIA-PET数据,在玉米中检测到28,875个基因启动子和基因启动子相互作用(PPI)和9,152个远程顺式调控元件和基因启动子相互作用(PDI)。

启动子和顺式调节元件的识别

高水平创新结果通过遵循图谱实现

基于高分辨率图谱,研究团队进一步遵循图谱,并详细展示了启动子-启动子相互作用(PPI模型)的基本特征。同时,研究人员结合了eQTL和染色质远程相互作用的已发表数据,提出三维空间的邻近性为基因表达调控提供了基础。研究人员还发现,在QTL,与农艺性状和代谢物相关的染色质远程相互作用中涉及的脱氧核糖核酸顺式调节元件显著富集。Vgt1和ZmCCT9调节位点也已被证实在空间上与靶基因相邻。一系列结果表明,玉米高分辨率三维基因组的研究对玉米功能基因组的研究和玉米复杂农艺性状的研究具有重要意义。

华中农业大学博士生彭勇和熊丹是论文的共同主要作者。生命科学与技术研究所的李兴旺教授、植物科学与技术研究所的严建兵教授和信息研究所的李国梁教授是合著者。本研究得到国家重点研发计划和国家自然科学基金以及华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室自主项目和自主创新项目的支持。

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评论者:李兴旺

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