科學(xué)家完成普通小麥精細(xì)表觀組圖譜繪制及全基因組順式作用元件鑒定

7月15日，Genome Biology 期刊在線發(fā)表中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心/植物生理生態(tài)研究所張一婧研究組與南京農(nóng)業(yè)大學(xué)張文利研究組等合作完成的研究論文。該工作生成并繪制普通小麥精細(xì)的表觀組圖譜，以此為基礎(chǔ)針對(duì)性開發(fā)整合計(jì)算流程對(duì)全基因組順式調(diào)控元件進(jìn)行了系統(tǒng)的挖掘與鑒定，并初步探索了其作用機(jī)制，為小麥基因調(diào)控機(jī)制解析研究提供了重要資源。

廣泛種植的六倍體普通小麥具有龐大而復(fù)雜的基因組，高質(zhì)量的普通小麥全基因組序列于2019年初公布，大小約為16 Gb，是人類基因組的5 倍。其中93%是非編碼序列，蘊(yùn)含著豐富的基因遠(yuǎn)端調(diào)控元件。在小麥全基因組水平準(zhǔn)確鑒定順式元件并解析其調(diào)控機(jī)制，是研究小麥多倍化及馴化過(guò)程中基因表達(dá)調(diào)控的關(guān)鍵步驟。由于表觀修飾在基因調(diào)控過(guò)程中發(fā)揮了重要作用，有機(jī)整合表觀組信息有助于在全基因組水平精準(zhǔn)預(yù)測(cè)順式調(diào)控區(qū)域。但是，與基因組序列相對(duì)簡(jiǎn)單的模式生物相比，龐大而復(fù)雜的小麥基因組對(duì)組學(xué)數(shù)據(jù)產(chǎn)生與數(shù)據(jù)分析及機(jī)制解析均帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。

合作研究團(tuán)隊(duì)生成并整合數(shù)十套小麥表觀組數(shù)據(jù)，通過(guò)開發(fā)和運(yùn)用針對(duì)小麥表觀組數(shù)據(jù)的整合計(jì)算方法與分析流程，系統(tǒng)挖掘了小麥的全基因組順式調(diào)控元件并初步探索其作用機(jī)制，主要包括以下方面：1）刻畫不同類型調(diào)控元件的表觀修飾組合模式，以此為基礎(chǔ)預(yù)測(cè)上千個(gè)新的順式作用元件，其中包含啟動(dòng)子和增強(qiáng)子等。通過(guò)瞬時(shí)轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明功能元件預(yù)測(cè)具有較高的準(zhǔn)確度。上述工作鎖定六倍體小麥中1.5%基因組區(qū)域存在活躍的順式元件，為小麥功能基因組研究提供了重要參考信息，極大減少了基因調(diào)控機(jī)制研究工作量。2）鑒定增強(qiáng)子與啟動(dòng)子的特異性序列特征，并揭示二者的差異調(diào)控機(jī)制。3）通過(guò)對(duì)小麥3 套亞基因組的比較揭示了基因調(diào)控的選擇壓力作用于序列和染色質(zhì)結(jié)構(gòu)兩個(gè)層面。

該研究得到中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金委和教育部的資助。