基因组所胡冠菁团队揭示棉花染色质结构和重复基因表达的演化动力学

2024年5月17日，《分子生物学与进化（Molecular Biology and Evolution）》（IF=10.6）在线发表了中国农业科学院深圳农业基因组研究所（岭南现代农业科学与技术广东省实验室深圳分中心）胡冠菁团队与爱荷华州立大学J.F. Wendel教授团队和佛罗里达州立大学H.W. Bass教授团队的论文，题为“Evolutionary dynamics of chromatin structure and duplicate gene expression in diploid and allopolyploid cotton“。该研究对异源四倍体和二倍体棉种的染色质结构和基因表达进行全基因组图谱绘制和比较分析，揭示了异源多倍化对核小体组织分布和染色质可及性的影响，以及染色质结构动态改变与顺式调控景观进化和重复基因表达进化中的调控关系，着重阐明了对亚基因组不对称和显性特征的调控机制。

多倍体是真核生物中普遍存在的生物现象，是植物物种形成和适应的重要机制。多倍化导致的整个基因组的DNA含量倍增，通常伴随着细胞大小、细胞核体积和细胞周期等一系列核型特征的变化。这些基因组水平变化也可能改变表观遗传动态、基因表达、蛋白质表达，乃至分子间互作网络。其中，多倍化在转录组水平对基因表达的大规模重塑效应已经被广泛认知，包括部分同源基因偏向表达（homoeolog expression bias，HEB）、非加性表达（nonadditive expression），表达水平显性（expression level dominance， ELD）、亚基因组显性（subgenome dominance）等重复基因表达进化模式。然后这些现象的调控机制仍然不清楚，也限制了进一步对基因表达调控的受选择机制和其伴随多倍化所产生的功能创新影响的理解。

本研究着眼于表观水平染色质结构对基因表达的调控关联，应用差异微球菌核酸酶测序技术（differential nuclease sensitivity MNase-seq, DNS-seq），对异源四倍体陆地棉（Gossypium hirsutum，AADD，2n=4X=52），两个二倍体亲本棉种（AA或DD基因组）及它们的人工F1杂交二倍体（AD）进行全基因组水平的核小体组织分布和染色质可及性图谱绘制。

比较基因组大小相差超过两倍的A基因组和D基因组（1.8 Gb vs 0.8 Gb），较大的A基因组在二倍体中具有更宽的平均核小体间距，该差异在AD杂交二倍体中保持，而在AADD异源四倍体中显著下降。同时在异源四倍体中，基因启动子区的染色质可及性增加，并且在A和D亚基因组之间存在顺式调控元件基序的趋同。这一系列染色质结构的动态变化受伴随多倍化序列变异的顺式作用调控，与AADD启动子区转座子元件的移除显著关联。

联合分析启动子区的染色质可及性与重复基因的表达进化模式，本研究揭示了二倍体杂交和后续异源多倍化演化阶段的不同调控效应，涉及不同HEB和ELD模式的建成。研究还通过联合分析核心组蛋白基因表达水平和染色质顺式调控景观，阐释了核小体组织分布与染色质可及性之间的交互调控关系。

二倍体和异源多倍体棉花染色质结构进化的研究

综上所述，本研究展示了采用DNS-seq技术绘制高分辨率染色质结构动态图谱的技术方法，并将其应用于揭示染色质结构进化对基因表达进化动态的调控机制，揭示了多倍体中包括亚基因组不对称性和亚基因优势等多种重复基因表达进化模式的调控基础。

基因组所研究员胡冠菁为该论文的第一作者兼通讯作者，美国爱荷华州立大学院士/教授Wendel和佛罗里达州立大学教授H.W. Bass为共同通讯作者。基因组所博士后熊显鹏、博士后祝德和基因组所与郑州大学联合培养硕士生李东明也参与了本项工作。该工作获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金以及美国国家科学基金会资助。

原文链接：https://doi.org/10.1093/molbev/msae095