近期三峡大学生物与制药学院周超博士团队在国际经典植物学期刊《Rice》（IF=4.783）上发表了题为“A genome doubling event reshapes rice morphology and products by modulating chromatin signatures and gene expression profiling”的文章。文章中所用的ChIP-seq和代谢组学由武汉博越致和生物科技有限公司提供。

背景介绍

水稻是世界上最重要的粮食作物之一，随着全球人口的增加，提高水稻产量成为科研工作者最为关注的问题之一。作物多倍体化可能在应对粮食安全挑战的下一代作物改良中发挥重要作用，多倍化或全基因复制是增加水稻基因组大小和提高其适应性的一种有效方法。作者以水稻93-11品种的二倍体和四倍体为研究对象，通过ATAC-seq、ChIP-seq、RNA-seq和代谢组学等多组学技术，绘制了全基因组的染色质可及区域、组蛋白修饰以及转录图谱，为作物遗传改良提供一种实用的技术。

研究结果

1、水稻基因组加倍引起形态变化

研究中发现，与二倍体水稻相比，同源四倍体水稻在形态性状上表现出显著差异，如叶脉显著加厚（图1b），皮层细胞面积显著增大（图1c），但幼苗的叶片、根和整株大小减小（图1a）。此外在成熟期同源四倍体水稻的株高、穗数和粒尺寸有所增加。

图1

2、同源四倍体水稻基因组中常染色质可及性密度增加

对二倍体和四倍体水稻的嫩叶和茎的地上部组织进行ATAC-seq，研究发现水稻同源多倍化导致常染色质区域的ACR明显增加，在较小程度上，异染色质区域有轻微缺乏（图2a）。同源四倍体水稻基因中ACR的频率高于二倍体水稻基因组，而在它们的重复区域中没有发现（图2b）。此外，同源四倍体水稻比二倍体水稻表现出更高的ACR密度（图2c），这些数据表明水稻同源多倍化可能在调控染色质可及性方面发挥作用。

图2

3、ACRs与同源四倍化水稻的转录调控有关

研究发现表达水平较高的活性基因（前20%）在TSSs表现出典型的ACRs尖峰；而非活性基因（底部20%）未见明显峰值且表达水平较弱（图3a）。这些数据表明，在TSS附近积累的ACRs参与了水稻基因转录的正调控。此外，与在二倍体水稻中促进ACR调节转录过程相比，同源四倍体水稻中ACR表现出更强的正调控基因表达的能力（图3a）。这些分析表明同源四倍体水稻的基因表达与染色质可及性有关。根据ACR与最近的注释基因的接近程度对其进行分类，如图3b，四倍体水稻的ACR相关基因显著增加。此外，研究还发现四倍体水稻只有gACR相关基因的转录活性高于二倍体水稻（图3c）。1号染色体的30095kb到30120kb之间的ACR的分布和基因表达如图3e。总之，分析表明ACR的转录调控也与它们在水稻基因组中的位置状态相关。

图3

4、ACRs参与水稻同源多倍体过程中转录调控与H3K36me2和H3K36me3相关

为了研究二倍体水稻和同源四倍体水稻基因组中与ACR相关的染色质表观基因组特征，将ATAC-seq、ChIP-seq和MeDIP-seq数据联合分析，综合分析表明H3K36me2/3是水稻基因组同源多倍化过程中的主要染色质标记。H3K36me3在转录起始位点附近大量存在，H3K36me2则均匀分布于整个转录区域（图4b）；H3K36me2和H3K36me3水平的增加与水稻同源多倍化有关，尤其是H3K36me2（图4b），这与多个epi-marks与ACRs之间的相关性（图4a）观察一致。在四倍体水稻中，分别有20474和4170个基因仅被H3K36me2和H3K36me3标记（图4c）。此外，与二倍体水稻相比，四倍体水稻中H3K36me2标记的gACR或iACR特异性基因较多（图4c）。同时四倍体水稻中H3K36me3标记的gACR或iACR相关基因的百分比也略有增加（图4c）。同源四倍体水稻中只有H3K36me2和H3K36me3标记的相关基因的ACR密度水平高于二倍体水稻（图4d）。此外，H3K36me2标记的gACR或iACR相关基因的富集程度高于在二倍体水稻中的富集程度；相比之下H3K36me3在四倍体水稻中的gACR特异性基因中似乎比二倍体水稻略有提高（图4e）。这些结果表明，H3K36me（H3K36me2/3）在水稻基因组复制中都需要甲基化，并可能在功能调控中发挥主导作用。研究发现H3K36me2和H3K36me3的联合效应应该与较高的转录活性相关（图4f）。总体来说，在转录区域内，H3K36me2和H3K36me3的结合可能与水稻同源多倍化的染色质可及性有关。

图4

5、水稻基因组复制影响代谢物积累

研究结合并利用代谢组学数据进行深度挖掘，结果显示四倍体水稻中近百种代谢产物相比于二倍体发生改变。在这些代谢物中，苯丙素代谢通路在四倍体水稻中发生显著的改变（图5a）。研究发现黄酮在同源四倍体水稻叶片中的含量远高于二倍体水稻的（图5b）。从ATAC-seq和RNA-seq数据分析发现四倍体水稻的ACR密度和C4H表达水平高于二倍体水稻；而HCT基因的ACR密度和转录水平在二倍体水稻中较高（图5c）。酶切和实时定量PCR结果证实了这些结果（图5d-e）。同时这些代谢物与水稻同源多倍化之间存在正联系。这表明代谢产物的积累可以作为植物基因组复制的一个生物标志物，并为水稻基因组倍增引起的表型变化提供一些线索。

图5

研究结论

ATAC-seq结果表明，ACR对转录基因表达的影响依赖于它们在同源四倍体水稻基因组中的位置。此外，ChIP-seq和RNA-seq的综合分析表明，H3K36me2和H3K36me3的结合可能与基因组复制引起的ACR的动态变化有关。研究发现大量的代谢物被水稻基因组加倍所影响。文章研究为同源多倍化过程中染色质可及性的调节从而导致水稻形态和产物的变化提供了新的见解。