Plant Communications | 华中科大栗茂腾教授揭示了油菜含油量QTL区间基因组结构变异调控种子含油量的分子机制

油菜是我国最为重要的油料作物之一，提高含油量是当前油菜遗传育种的主要目标之一。课题组前期通过对甘蓝型油菜KN DH群体对含油量进行了QTL (Quantitative Trait Loci)定位，并获得了系列与含油量紧密连锁的QTL位点，但这些QTL位点如何调控含油量的分子机理不甚明确。研究表明，基因组空间结构与农艺性状的形成密切相关，故从研究QTL位点内3D基因组结构的改变来研究内含油量形成的机制，对进一步揭示含油量形成的分子生物学基础具有重要意义。

2023年7月26日，华中科技大学生命科学与技术学院栗茂腾教授教授团队在Plant Communications杂志上发表了题为 “3D genome structural variations play important roles in regulating seed oil content in Brassica napus”的论文。该研究通过对含油量超过50%的甘蓝型油菜N53-2和含油量为40%左右低油材料Ken-C8进行了Hi-C (High-throughput chromatin conformation capture)和ATAC-seq (Assay of Transposase Accessible Chromatin sequencing)分析，揭示了甘蓝型油菜基因组的空间结构。结合含油量QTL区间内基因表达情况和QTL 精细定位，探讨了基因组结构变异调控含油量的分子机制。

研究结果表明：在基因组3D水平上，不论是高油材料N53-2与还是低油材料Ken-C8，染色体间的相互作用数目远高于染色体内的相互作用数目，但N53-2中的染色体间相互作用对数比Ken-C8多21154对；N53-2中染色体内相互对比Ken-C8则减少了3592对（图1A和1B）；进一步的分析表明，A基因组内部的相互作用强于C基因组内的相互作用，在A/C基因组间，则A2和C2间的相互作用最强。从染色体空间分布上，可以看到端粒主要分布在N53-2染色体三维结构的外围区域，而在Ken-C8中，端粒则在三维基因组结构内部（Fig 1C-1F）。与全基因组中A compartment和B compartment相比，QTL/AGRs区间内A compartment比例相对更高，而B compartment比例则相对较低；同时，A compartment内的基因密度也高于B compartment，该结果表明含油量QTL/AGRs区域中的染色质比其它基因组区域更活跃。

图1. N53-2和Ken-C8的染色体水平互作图和模拟3D结构图。橙色线代表甘蓝型油菜基因组上Hi-C reads的分布。A和B 分别代表N53-2和Ken-C8中染色体内（蓝线）和染色体间（绿线）相互作用的Circos分析。C和D代表N53-2整体和chrC06单条染色体的3D结构；E和F代表Ken-C8整体和chrC06染色体3D结构。

基因组空间结构分析显示，一些富含QTL/AGRs的染色体的空间结构发生了明显改变，如hrA09的32M-34M区域内，N53-2中的ATAC-seq峰远高于Ken-C8（图2B，2G），同时，该区域与相邻区域间的相互作用强度显著增强。转录组分析显示，该区域内基因表达的整体水平也出现了明显增加（图2C，2G）。ATAC-seq、转录组和比较基因组联合分析显示，N53-2和Ken-C8材料间的DARs (Differentially accessible regions)和DEGs (Differentially Expressed Genes)均是在QTL/AGRs区域富集更多，这些富集的基因中部分参与了亚油酸代谢、甘油磷脂代谢和脂肪酸生物合成等（图3A-3C）。针对TAD边界序列的Motif分析显示，结合蛋白排名第一的为MYB46 and WRKY28转录因子；针对单个基因分析也发现转录因子和基因间相互作用模式在N53-2和Ken-C8间也存在差异，这说明转录因子也参与到了油脂的形成过程中（图3D）。

图2. 甘蓝型油菜的多组学综合分析。A-F表示N53-2和Ken-C8中chrC08（左）和chrA09（右）的多组学分析，分别是Hi-C（A）、ATAC-seq（B）、RNA-seq（C）、QTL/AGR（D）、重测序（E）和染色质相互作用（F）。（G）N53-2和Ken-C8中chrC08（区域①）和chrA09（区域②）的ATAC-seq、RNA-seq、重测序和相互作用数统计分析。

图3 含油量QTL区间内差异表达基因及其存在远程调控转录因子。A是部分参与脂肪酸合成代谢的DEGs（红色和蓝色分别代表在高油材料中上调和下调表达）。B是部分含油量相关基因在高油和低油材料中的表达情况。C是ATAC-seq peak 内部分高油和低油材料与含油量相关基因的表达情况。D 表示的是N53-2和Ken-C8的chrA10染色体上BnaA10g01090D (GPAT2) 和转录因子之间的相互作用。

为进一步验证基因组空间结构改变对含油量影响，通过和课题组已获得含油量QTL定位情况进行对比分析，在chrA09的32M-34M空间结构发生变化区域中发现了存在一个对含油量有较大贡献的QTL位点。通过对2820个单株的BC4F1 N近等基因系群体进行精细定位，获得了与油脂合成直接相关的基因BnaA09g48250D（图4A和4B）。测序结果显示， BnaA09g48250D启动子区域在低油材料Ken-C8中有6313bp片段插入（图4C），该区域内的染色质互作数量显著低于高油材料N53-2（图4E）。BnaA09g48250D转基因的实验表明，超表达和敲除该基因可以明显的影响含油量。

基于上述研究结果，本研究基于多组学联合分析揭示了甘蓝型油菜的三维基因组结构及其结构变异对甘蓝型油菜种子含油量影响，为进一步通过分子设计方法培育高含油量的油菜品种提供了基础。

图3. cqOC-A9-9.基因的精细定位和克隆。A，利用BC4F1群体对cqOC-A9-9-2进行精细定位，分析该区域内的注释基因，及其在两个亲本的15-DAF和24-DAF种子中的表达差异，其中BnaA09g48250D表达差异最大，表达水平最高。B， BC4F1群体单株的基因型分子标记分析。C，BnaA09g48250D及其启动子在Ken-C8和N53-2之间的序列差异。D，BnaA09g48250D过表达系（Ken-C8 35s:BnaA09C48250D）和敲除系（J9709 BnaA09g48250D）的含油量差异。E，N53-2和Ken-C8中BnaA09g48250D相邻区域的染色质相互作用分析。

华中科技大学生命科学与技术学院的栗茂腾教授为本研究的通讯作者，张礼斌副教授、李怀鑫博士生及武汉菲沙基因信息有限公司的刘琳博士为共同第一作者，何坚杰和闫书祥博士生、朝红波、尹永泰和赵卫国博士也参与了此项研究。该研究得到国家重点研发计划项目“油菜和花生重要基因资源挖掘与利用”（2022YFD1200402）和国家自然科学基金面上项目（32272067 和32072098）的资助。

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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