近期，中國科學院分子植物科學卓越創新中心和中科院遺傳與發育生物學研究所合作在The Plant Cell上，在線發表題為An atlas of wheat epigenetic regulatory elements reveals subgenome-divergence in the regulation of development and stress responses的文章，揭示普通小麥亞基因組非對稱調控的分子機制，并同期發表編輯評論文章。
廣泛種植的普通小麥（Triticum aestivum，2n=6x=42，AABBDD）基因組龐大（16 Gb）而復雜，由3個二倍體祖先草雜交加倍形成，包含3組相似的亞基因組。適應不同環境的二倍體基因組融合顯著提升了六倍體小麥的環境適應性。與其祖先種相比，普通小麥具有明顯的多倍化優勢，如植株更高大、種子更飽滿、具有更強的抗逆性。已有研究揭示了普通小麥3套基因組的差異基因及差異表達模式，然而目前，學界尚不清楚亞基因組表達的時空調控特異性調控機制，龐大而復雜的基因組不利于深入開展機制研究。
該研究中，研究人員利用定量表觀基因組分析方法，整合不同發育階段與環境處理的表觀組和轉錄組數據，鑒定到普通小麥中的上萬個基因遠端調控DNA元件，并將其與靶基因關聯。該研究進一步揭示了表觀調控元件在亞基因組間差異的表觀結構，該差異決定了靶基因組織特異性表達的差異。調控元件亞基因組差異表觀結構的動態變化受到甲基化酶復合體PcG和去甲基化酶REF6的協同調控。在應對環境刺激過程中，調控元件表觀修飾的變化與靶基因的表達變化密切相關。以此為基礎，該研究預測了脅迫響應因子并進行實驗驗證，進一步揭示了響應因子在亞基因組間的差異結合與亞基因組間調控元件的密度差異及表觀遺傳修飾的定量差異協同互作。
綜上，該研究揭示了亞基因組非對稱調控的分子機制及其在組織發育和逆境響應過程中的特異性作用，為從遺傳和表觀遺傳互作角度解析普通小麥高度可塑性與廣泛環境適應性提供了新線索。
分子植物卓越中心研究員張一婧和遺傳發育所研究員薛勇彪為論文的共同通訊作者，分子植物卓越中心博士生王梅月、張郁蕓和博士李子娟、遺傳發育所副研究員張玉娥為論文的共同第一作者，南京農業大學教授張文利和遺傳發育所研究員童依平合作參與了該研究。研究工作得到國家自然科學基金創新研究群體項目、中科院戰略性先導科技專項的支持。The Plant Cell邀請密歇根州立大學教授Sunil Kumar Kenchanmane Raju發表題為Epigenomic atlas in wheat reveals regulatory elements specifying sub-genome divergence的評論文章。
圖1.主要發現小結。上圖：在發育過程中，PcG復合體和REF6去甲基化酶協同調控H3K27me3動態變化導致調控元件在亞基因組間的活性差異，進而決定組織特異性；下圖：在應激反應過程中，調控元件的密度，轉錄因子結合及表觀修飾協同作用決定亞基因組的差異響應
圖2.模型圖刻畫DNA調控元件，表觀因子與轉錄因子協同調控普通小麥亞基因組非對稱表達模式
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