張一婧研究組合作完成普通小麥精細表觀組圖譜繪制及全基因組順式作用元件鑒定

  2019年7月15日,Genome Biology期刊在線發表中科院分子植物科學卓越創新中心/植物生理生態研究所張一婧研究組與南京農業大學張文利研究組合作完成的題爲“The bread wheat epigenomic map reveals distinct chromatin architectural and evolutionary features of functional genetic elements”的研究論文。該工作生成並繪制普通小麥精細的表觀組圖譜,以此爲基礎針對性開發整合計算流程對全基因組順式調控元件進行了系統的挖掘與鑒定,並初步探索了其作用機制,爲小麥基因調控機制解析研究提供了重要的資源。

  廣泛種植的六倍體普通小麥(T. aestivum, 2n = 6x = 42, BBAADD)具有龐大而複雜的基因組,高質量的普通小麥全基因組序列于2019年初公布,大小約爲16 Gb,是人類基因組的5倍。其中93%是非編碼序列,蘊含著豐富的基因遠端調控元件,在小麥全基因組水平准確鑒定順式元件並解析其調控機制,是研究小麥多倍化及馴化過程中基因表達調控的關鍵步驟。由于表觀修飾在基因調控過程中發揮了重要作用,有機整合表觀組信息有助于在全基因組水平精准預測順式調控區域。但是,與基因組序列相對簡單的模式生物相比,龐大而複雜的小麥基因組對組學數據産生與數據分析及機制解析均帶來巨大挑戰。

  合作研究團隊生成並整合數十套小麥表觀組數據,通過開發和運用針對小麥表觀組數據的整合計算方法與分析流程,系統挖掘了小麥的全基因組順式調控元件並初步探索其作用機制,爲小麥基因調控機制解析研究提供了重要的資源,主要包括以下方面:

  1)刻畫不同類型調控元件的表觀修飾組合模式,以此爲基礎預測上千個新的順式作用元件,其中包含啓動子和增強子等。通過瞬時轉化實驗進一步證明功能元件預測具有較高的准確度。上述工作鎖定六倍體小麥中1.5%基因組區域存在活躍的順式元件,爲小麥功能基因組研究提供了重要的參考信息,極大程度減少基因調控機制研究的工作量。

  2)鑒定增強子與啓動子的特異性序列特征,並揭示二者的差異調控機制。

  3)通過對小麥3套亞基因組的比較揭示了基因調控的選擇壓力作用于序列和染色質結構兩個層面。

  該研究工作由中國科學院分子植物科學卓越創新中心/植物生理生態研究所,南京農業大學和中國科學院遺傳與發育生物學研究所團隊合作完成。中國科學院分子植物科學卓越創新中心/植物生理生態研究所的張一婧研究員和南京農業大學的張文利教授爲論文的共同通訊作者;中國科學院遺傳與發育生物學研究所的薛勇彪研究員與童依平研究員參與項目的設計與指導,博士生李子娟、王梅月、林堪德、謝憶琳爲共同第一作者。該研究受到中科院戰略科技先導專項、基金委和教育部項目的資助。

  文章鏈接:https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-019-1746-8 

  

  

  刻畫普通小麥表觀組圖譜(a)並對全基因組順式作用元件進行挖掘(b)與活性鑒定(c)