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Nature Plants | 华中农业大学油菜团队赵伦课题组开发aChIP技术揭示油菜干种子表观遗传调控新模式

花匠小妙招
2024-11-27 08:00

责编 | 王一

精准鉴定染色质相关蛋白的全基因组结合位点与特征对于全面理解其功能至关重要。染色质免疫共沉淀测序（ChIP-seq）技术广泛应用于鉴定全基因组组蛋白修饰和转录因子以及染色质修饰酶等染色质相关蛋白的结合位点，是表观基因组和功能基因组研究的核心技术之一。作物种子、果蔬果实和花卉林木等作物重要经济器官为人类提供必需的营养物质、工业原料和美学享受，是人类生存和文明发展的重要基础。然而，由于这些经济器官通常具有坚硬的细胞壁和复杂的细胞代谢物，现有ChIP-seq技术难以适用，阻碍了其深入研究。因此，亟需开发一种高效、稳定、广泛适用于植物经济器官的ChIP-seq新方法，助力作物经济器官表观基因组和功能基因组研究。

近日，华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室油菜遗传改良创新团队赵伦课题组在国际学术期刊Nature Plants发表了题为 “aChIP is an efficient and sensitive ChIP-seq technique for economically important plant organs”的研究论文。该研究开发了一种普遍适用于植物经济器官的aChIP技术，以油菜为例，首次解析了作物种子休眠和萌发过程中组蛋白修饰景观的动态变化及其潜在功能。

ChIP-seq被认为是鉴定全基因组组蛋白修饰和染色质相关蛋白结合位点的金标准。染色质相关蛋白包括组蛋白、转录因子和染色质修饰酶等。然而，由于作物经济器官通常具有坚硬的细胞壁和复杂的细胞代谢物（如淀粉、油脂、蛋白质、糖类、酚类、色素、果胶和纤维等），使得现有ChIP-seq等技术难以应用于这些器官。据统计，目前已发表的植物ChIP-seq数据中，仅有3.5%来自植物经济器官，且其数据质量有待提高。

为突破这一技术瓶颈，该研究通过创新染色质分离策略，开发了aChIP技术。aChIP能够同时有效去除植物细胞壁和细胞内含物，显著提高染色质提取效率和免疫共沉淀效率。aChIP技术适用于所有测试的14种植物经济器官（包括油菜、大豆、玉米、水稻和拟南芥种子、番茄果实、土豆块茎、橙子果皮和果肉、康乃馨花瓣、甘蔗和杨树茎秆等），成功绘制了多种代表性组蛋白修饰图谱并鉴定了染色质蛋白（如转录因子CAMTA3、DNA结合蛋白MBD7和DNA去甲基化酶DME）的全基因组结合位点。这些结果证明aChIP对不同作物经济器官的普适性和稳定性。

图1. aChIP技术适用于开花后50天的油菜种子

图2. aChIP技术对不同作物经济器官的普适性和稳定性

此外，作物干种子对ChIP-seq技术来说是极限挑战。与幼苗等活跃的新鲜组织相比，干种子处于休眠状态，细胞活动极弱，但储存了丰富的代谢和营养物质，是一个特殊的组织和发育阶段。长期以来，干种子中是否存在组蛋白修饰，有哪些类型，其功能是什么，均不清楚。该研究利用aChIP技术，首次揭示了油菜等作物干种子中的组蛋白修饰景观，确定作物干种子中仍然存在多种不同类型的组蛋白修饰，为进一步研究其转录调控功能奠定了数据基础。

再者，在植物营养组织中，aChIP的ChIP-DNA富集效率是现有方法的3-50倍，同时能够鉴定大量现有方法未鉴定到的低丰度修饰位点。这些结果证明了aChIP的高效性和灵敏性。

图3. aChIP在营养组织中更高效更灵敏

最后，本研究深入探究了油菜种子休眠和萌发过程的表观遗传调控模式。利用aChIP技术产出了油菜开花后50天种子、干种子、萌发种子和幼叶中5种代表性的高质量组蛋白修饰数据。联合分析转录组数据，发现油菜种子休眠和萌发过程中发生了剧烈的组蛋白修饰景观重塑。与幼叶等新鲜组织不同，种子脱水休眠过程组蛋白修饰与基因转录的相关性逐渐减弱，干种子中基本消失，但种子萌发时迅速恢复。这是首次解析油菜种子休眠和萌发过程的组蛋白修饰景观动态变化，揭示了干种子中特有的表观遗传修饰模式及其潜在功能。

图4. 油菜干种子中组蛋白修饰模式与基因转录丰度“脱钩”

Nature plants同期配发了题为“aChIP for comprehensive chromatin profiling in economically important plant organs”的研究简报。期刊编辑对此项研究给予了高度评价，指出“由于植物细胞壁和多种代谢产物的复杂性，许多具有重要经济价值的植物器官的ChIP-seq实验难以成功。这项研究的亮点在于开发了一种创新的aChIP技术，成功解决这些问题，绘制了多个物种和器官的组蛋白修饰和转录因子结合位点图谱，为植物重要经济器官（如油菜干种子）提供了高质量的ChIP-seq数据”。

综上所述，aChIP是一种高质、高效、灵敏、稳定的植物高阶ChIP-seq技术，适用于所有测试的植物器官，特别是作物重要经济器官。这一技术将显著推进油菜等作物经济器官表观基因组和功能基因组研究，为作物遗传改良提供坚实的技术基础。

华中农业大学博士后章清和博士研究生钟文莹为论文共同第一作者，华中农业大学赵伦教授为通讯作者。华中农业大学傅廷栋院士、沈金雄教授、李国亮教授和南方科技大学朱健康院士等给与了重要指导，华中农业大学张飞教授、杨宁教授、丁寄花教授、傅小鹏教授和南京大学陈迪俊教授等提供了相关材料和数据。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金，中国博士后科学基金等资助。

通讯作者简介：

赵伦，华中农业大学教授，博导，作物遗传改良全国重点实验室、国家油菜工程技术研究中心和湖北洪山实验室固定研究人员，油菜遗传改良创新团队核心成员，获国家优秀青年科学基金和“武汉英才”优秀青年人才等项目资助。主要从事植物表观/三维基因组学与油菜重要农艺性状研究，以模式植物拟南芥和多倍体模式作物油菜等为研究对象，将传统遗传学、分子生物学研究结合多维组学方法，解析油菜和拟南芥等重要性状形成的遗传和表观遗传调控机制。研究成果以第一或通讯作者(含共同)发表在Nature Plants、Genome Biology（2篇）、Nature Communications（2篇）、Autophagy和Molecular Plant（2篇）等国际主流期刊，为解析油菜等作物重要农艺性状调控机制和遗传改良提供了新技术、新视角和新思路。具体研究方向如下：1）植物表观/三维基因组学技术开发，2）植物表观遗传调控机制，3）油菜表观遗传与产量形成，4）油菜多倍体优势与杂种优势。更多信息请查看：

https://faculty.hzau.edu.cn/zhaolun/zh_CN/index.htm

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论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41477-024-01743-7

研究简报：

https://www.nature.com/articles/s41477-024-01744-6