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Plant Physiol | 张建华团队报道水稻花器官全基因组染色质可及性图谱

花匠小妙招
2025-01-26 11:05

水稻是最重要的农作物之一，水稻的雌雄器官发育的生物学过程对单子叶植物的有性生殖研究有重要的指导意义。幼苗经过营养生长阶段产生根茎叶，继而进入生殖发育。水稻的生殖发育是从幼穗发育开始的，即花序和花器官的形成。花药和雌蕊是水稻的两个重要的花器官。它们的生长发育有很多复杂的诱导机制，其基因的表达受到了精细的调控。在众多复杂的调控机制中，染色质可及性，也称为开放染色质区域 (OCR) ，对基因表达的调控至关重要。OCR拥有各种类型的顺式调控元件，允许转录因子 (TF) 访问，促进基因转录。顺式调控元件的变异以及基因编辑在作物驯化和改良中发挥着关键作用。另外，转座酶可及染色质测序 (ATAC-seq) 已成功用于多种植物全基因组水平的开放染色质的分析。因此，利用ATAC-seq技术对水稻花器官顺式调控元件进行全基因组范围鉴定对未来作物性状改良具有重要意义。

近日，香港浸会大学/香港中文大学农业生物技术国家重点实验张建华教授团队在Plant Physiology上发表了题为 "The chromatin accessibility landscape of pistils and anthers in rice" 的研究论文，报道了水稻雌蕊和花药的全基因组染色质可及性图谱。

目前，只有水稻根 (Zhang et al., 2021) 和叶子 (Lu et al., 2019) 的全基因组范围内开放染色质区域被报道。水稻的幼穗，花药和雌蕊具有特殊的解剖结构，其生长发育对水稻的产量非常重要，然而其染色质可及性图谱仍然是未知的。

该研究利用 ATAC-seq 绘制了水稻开花前幼穗、花药和雌蕊的 OCR 图谱。相较于花药，研究人员在雌蕊中发现了更多的OCRs。幼穗的OCR密度低于成熟的花器官组织（花药和雌蕊），并表现出很大差异。这表明花器官染色质可及性特征依赖于其生长时期。通过结合RNA-seq和组蛋白 ChIP-seq，该研究揭示了水稻花器官OCR、基因表达以及组蛋白修饰之间的关系。此外，研究人员通过原生质体瞬时表达ChIP-seq获得了雌蕊中九个高表达TFs在全基因组范围内的结合位点，并发现OCR可以用来预测TF结合位点。进一步，根据这些雌蕊高表达TF的下游调控基因，该研究提出了调控雌蕊发育的潜在表达调控网络。除了植物内部的诱导调控机制，环境信号也对植物的生长发育有很大的影响。低温是影响基因调控的环境信号之一。通过对低温条件下雌蕊和花药的OCRs比较分析，该研究发现雌蕊和花药的OCRs对低温的响应不同。综上，这些数据为更全面的理解水稻花器官发育和其低温响应提供了宝贵的资源。

水稻花器官OCRs

香港浸会大学/香港中文大学农业生物技术国家重点实验张建华教授，李浩轩博士为该论文的共同通讯作者。香港中文大学王冠群博士为该论文的第一作者，深圳大学李晓政博士和香港中文大学沈威博士为共同第一作者。香港中文大学Man-Wah Li博士，中国科学院庐山植物园黄铭坤副研究员也参与了该项工作。该项研究得到了该研究获得国家自然科学基金、香港研究资助局项目的资助。

参考文献

Zhang T-Q, Chen Y, Liu Y, Lin W-H, Wang J-W. 2021. Single-cell transcriptome atlas and chromatin accessibility landscape reveal differentiation trajectories in the rice root. Nature communications 12: 1–12.

Lu Z, Marand AP, Ricci WA, Ethridge CL, Zhang X, Schmitz RJ. 2019. The prevalence, evolution and chromatin signatures of plant regulatory elements. Nature Plants 5: 1250–1259.

论文链接：

https://doi.org/10.1093/plphys/kiac448