基因組多倍化可以幫助物種具備更廣泛的環(huán)境適應(yīng)能力，是物種形成和進化的重要驅(qū)動力，在自然界中廣泛存在。普通小麥（AABBDD）由二倍體祖先種經(jīng)歷兩輪的雜交和基因組加倍形成的異源六倍體作物。在小麥發(fā)育和環(huán)境應(yīng)答過程中，功能元件和基因之間的廣泛互作對于基因表達具有重要的調(diào)控作用。小麥龐大（16 Gb）而復(fù)雜（三個亞基因組，85%以上為轉(zhuǎn)座元件）的基因組導(dǎo)致其精確的染色質(zhì)互作圖譜難以繪制，嚴(yán)重制約了小麥三維基因組的研究。

 

      該研究通過不依賴抗體和低成本的OCEAN-C技術(shù)高分辨率地繪制了二倍體、四倍體和六倍體小麥全基因組開放染色質(zhì)互作圖譜。與其他基因組區(qū)域相比，開放染色質(zhì)互作環(huán)的錨點顯著富集組蛋白修飾并且具有更高的染色質(zhì)可及性，開放染色質(zhì)互作強度越高的基因其表達水平也越高。有意思的是，67%的染色質(zhì)互作錨點可以與5個以上位點產(chǎn)生互作，被稱為開放染色質(zhì)互作熱點（HOCIs）。這些互作熱點顯著富集多種轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合元件，其關(guān)聯(lián)基因表達更高，并且可能促進了關(guān)聯(lián)的多個基因的協(xié)同表達（圖1）。

 

       普通小麥大部分基因有三個拷貝，該研究發(fā)現(xiàn)小麥亞基因組同源基因之間存在廣泛的染色質(zhì)互作偏向，而這些偏向并不是由染色質(zhì)可及性差異導(dǎo)致的，其中一部分可能是由于亞基因組之間的結(jié)構(gòu)變異引起的。通過比較不同倍性的小麥基因組，鑒定了多個在普通小麥中存在而四倍體和二倍體小麥中不存在的大片段染色質(zhì)變異（PAVs），與之相對應(yīng)的，與這些位點形成染色質(zhì)互作的基因在普通小麥中的表達水平更高（圖2）。

 

      該研究進一步鑒定了在不同倍性小麥中存在開放染色質(zhì)互作差異的基因，這些基因在不同亞基因組中參與不同的生物學(xué)過程，例如在AB亞基因組的基因主要富集非生物脅迫和信號傳遞相關(guān)基因，而在D亞基因組的基因主要富集胚胎發(fā)育和翻譯相關(guān)基因。盡管大部分多倍化產(chǎn)生的染色質(zhì)互作差異只發(fā)生在單個基因拷貝上，但該研究仍然發(fā)現(xiàn)了15組A、B、D同源基因在小麥多倍化中同時發(fā)生了染色質(zhì)互作變異，而且一半以上的基因的表達變化和染色質(zhì)互作變化正相關(guān)（圖3）。

 

      綜上所述，該研究發(fā)現(xiàn)了小麥多倍化和進化過程中染色質(zhì)結(jié)構(gòu)變異引起開放染色質(zhì)空間拓撲結(jié)構(gòu)改變，并且揭示了開放染色質(zhì)三維互作變化對基因表達的調(diào)控作用。該研究的方法和發(fā)現(xiàn)對多倍體作物進化和馴化中表觀遺傳調(diào)控機制解析提供了新思路。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院博士后袁靜婭為第一作者，農(nóng)學(xué)院宋慶鑫教授為通訊作者，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)王秀娥教授和中國農(nóng)業(yè)大學(xué)倪中福教授參與了該項研究。該研究得到了國家自然科學(xué)基金（31991210、31801351和32001553）資助。