三维染色质结构重组对苜蓿磷元素吸收利用的调控作用#
2022年11月中国科学院植物研究所团队研究鉴定了蒺藜苜蓿的三维染色质结构，解析了缺磷条件下豆科模式植物蒺藜苜蓿（Medicago truncatula）的三维染色质重构、组蛋白修饰和基因表达的情况，为探索磷缺乏条件下植物基因转录调控的机制提供了一个新的视角。
安诺优达为本研究提供Hi-C，ChIP和RNA等测序分析服务。安诺优达高级分析工程师为此次发表文章的合作作者。
文章题目：Reorganization of three-dimensional chromatin architecture in Medicago truncatula under phosphorus deficiency
期刊：Journal of Experimental Botany
研究背景#
染色质储存了真核生物的遗传信息，并高度折叠，因此，在线性DNA中距离较远的位点，在染色体的三维结构中可能相近并产生相互作用。研究表明，三维染色质结构并不是一成不变的，在植物的生命过程中三维染色质结构会经常发生重构，并起到关键的调节作用。
磷（P）是高等植物必需的大量营养素之一。土壤中总磷含量丰富。然而，植物可利用的土壤中的无机磷（Pi）含量通常很低，限制了植物的生长。为了应对有效磷缺乏的不利环境，植物进化出形态学、生理学和分子生物学等复杂的调控策略。然而，三维染色质结构重组对植物缺磷适应的调控机制研究尚属空白。
材料选择#
豆科模式植物蒺藜苜蓿（Medicago truncatula）
研究结果#
在本项目中，研究者们分别采用了Hi-C，ChIP-seq和RNA-seq等技术分析了缺磷条件下豆科模式植物蒺藜苜蓿（Medicago truncatula）的3D染色质重构、组蛋白修饰和基因表达的情况。
从A/B区室，拓扑相关结构域和染色质环等多个染色质层级结构上鉴定了蒺藜苜蓿的三维染色质结构（Fig.1）。结果表明，2号和7号染色体的染色体内相互作用比其他染色体更频繁。8条染色体中，第6号染色体在Pi缺乏的条件下产生了最大程度的3D染色质结构重组。此外，在有效磷缺乏的条件下，蒺藜苜蓿三维染色质结构发生重组，并增强了染色体间的相互作用比例。不同于对照情况下5号和6号染色体间相互作用最强，在缺磷的条件下，1号和7号染色体间相互作用变得最强。Hi-C，ChIP-seq和RNA-seq等结果的联合分析还发现A区的基因密度、表达水平和活性组蛋白修饰均高于B区。
有效磷缺乏导致了蒺藜苜蓿的基因组中748个小规模的A/B区室的转换；在鉴定到的2842个染色体环中，缺磷导致65个环的丰度显著增加，109个环丰度显著减少。
在缺磷和对照组中，A区室中的基因密度和表达水平显著高于B区室。缺磷处理后从B到A的转换区中发现了33个上调基因，从A到B的转换区有40个下调基因。进一步的研究表明，基因表达，A/B区室转换区和组蛋白修饰之间具有密切的相关性。如磷缺乏时，Chr6g0452171、Chr1g0185401和Chr1g0149671上调表达；磷缺乏使这些基因在染色体中所处的区室从B变为A；H3K27ac或H3K4me3修饰变化也与这些转换相关。相反的，Chr1g0174251、Chr7g0219691和Chr1g0173621的表达下调，这与组蛋白修饰的减少以及A区室至B区室的转换有关。这些基因表达的变化使得苜蓿在有效磷缺乏的环境下，通过增加根表面积和加强激素信号传导增强了对磷的吸收效率。这些发现增加了我们对蒺藜苜蓿三维染色质结构重组对磷元素吸收利用的关键调控作用机制的了解。
总结#
本研究构建了豆科模式植物蒺藜苜蓿的三维基因组结构，并揭示了在缺磷条件下，基因转录调控与三维染色质结构重组的相关性。该研究的发现为探索磷缺乏的条件下植物基因的转录调控机制提供了崭新的视角。
.. tags:: 2022, 植物三维基因组