近日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)涂金星教授和楊慶勇教授團(tuán)隊(duì)研究成果以“Comparison of dynamic 3D chromatin architecture uncovers heterosis for leaf size in Brassica napus”為題在Journal of Advanced Research發(fā)表。研究首次從染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的視角下探究甘藍(lán)型油菜雜種優(yōu)勢(shì)的潛在影響機(jī)制。

 

      雜種優(yōu)勢(shì)(Heterosis)是生物界普遍存在的遺傳現(xiàn)象，指雜合體在一種或多種性狀（如生活力、生長(zhǎng)勢(shì)、繁殖力、抗逆性、產(chǎn)量、品質(zhì)等）上優(yōu)于雙親的現(xiàn)象。雜種優(yōu)勢(shì)育種在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的成功應(yīng)用為提高農(nóng)作物產(chǎn)量、解決糧食危機(jī)、保障糧食安全等方面做出了巨大貢獻(xiàn)。為進(jìn)一步提高雜種優(yōu)勢(shì)的利用潛力，充分發(fā)揮其更好的引領(lǐng)雜交種選育和指導(dǎo)人類生產(chǎn)的重要作用，進(jìn)一步深入研究其機(jī)理，尤其是分子遺傳基礎(chǔ)方面，具有重要科學(xué)意義。然而現(xiàn)有研究較多關(guān)注一維層面的DNA序列引起的遺傳變異對(duì)子代雜種優(yōu)勢(shì)的影響，忽略了染色質(zhì)在三維空間中對(duì)雜種優(yōu)勢(shì)的影響，雜種優(yōu)勢(shì)現(xiàn)象背后的機(jī)制仍不完全清楚。

 

     在該研究中，研究者通過構(gòu)建甘藍(lán)型油菜群體篩選出強(qiáng)、弱雜種優(yōu)勢(shì)組合各2組。通過利用三維基因組、全基因組重測(cè)序、轉(zhuǎn)錄組及表型數(shù)據(jù)，探究基因組三維空間結(jié)構(gòu)對(duì)油菜苗期雜種優(yōu)勢(shì)的潛在影響。

 

      研究表明，相對(duì)于親本，雜交種F1中19–21%的染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)compartment（區(qū)室）發(fā)生變化；并且相對(duì)于弱優(yōu)勢(shì)雜交種，強(qiáng)優(yōu)勢(shì)雜交種具有更多的A區(qū)室（轉(zhuǎn)錄活躍，更加開放的染色質(zhì)）。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，雜交種差異的染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)區(qū)域與父母本之間的遺傳差異呈現(xiàn)明顯的共定位。此外，與弱優(yōu)勢(shì)雜交種相比（22–31%），強(qiáng)優(yōu)勢(shì)雜交種中相對(duì)開放的染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)促使其具有表達(dá)顯性的基因中表達(dá)高于雙親的類型占比更高（46–64%）。有趣的是，研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)強(qiáng)優(yōu)勢(shì)雜交種中相對(duì)開放的染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)促使其具有更多上調(diào)表達(dá)的生長(zhǎng)素相關(guān)基因。通過植物激素測(cè)量和細(xì)胞學(xué)實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，生長(zhǎng)素含量的增加加快了強(qiáng)優(yōu)勢(shì)雜交種的細(xì)胞周期，進(jìn)而促進(jìn)葉片細(xì)胞增殖和擴(kuò)大，使得葉片面積更大。綜上所述，該研究從染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的視角，解析了親本間遺傳差異對(duì)雜種優(yōu)勢(shì)形成的潛在機(jī)制，為探究植物雜種優(yōu)勢(shì)形成的生物學(xué)基礎(chǔ)提供了新思路。

 

       華中農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院博士生胡悅、植科院博士生熊杰為該論文共同第一作者。信息學(xué)院楊慶勇教授、植科院涂金星教授為該論文共同通訊作者。該研究獲得國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021YFF1000100）、湖北省科技重大專項(xiàng)(2021ABA011)、國(guó)家自然科學(xué)基金(32070559)、湖北省自然科學(xué)基金（2019CFA014）等項(xiàng)目資助。