在柑橘无融合生殖演化研究中取得新进展
近日，华中农业大学园艺植物生物学教育部重点实验室邓秀新院士团队研究成果以“Structural variation and parallel evolution of apomixis in citrus during domestication and diversification”为题在National Science Review发表。
研究首次揭示了柑橘中不同属间无融合生殖性状存在平行进化，回答了现代栽培柑橘广泛存在无融合生殖的遗传机制。
柑橘是世界同时是我国第一大果树，自上个世纪80年代以来，我国柑橘栽培面积和产量持续增长，据统计2020年柑橘总产量已达到4500余万吨。我国是柑橘的起源地之一，栽培品种类型繁多，柑、橘、橙、柚、葡萄柚、柠檬、金柑、杂柑等都有规模化的栽培。
柑橘广泛存在无融合生殖的特性，导致后代基因型和母本保持一致，阻碍了柑橘的杂交育种进程。因此，研究柑橘无融合生殖对于加速柑橘遗传改良具有重要意义。
此外，无融合生殖还被运用于作物的杂种优势固定，具有重要应用前景，对我国种业发展具有重要意义。柑橘是研究孢子体无融合生殖的模式材料，解析柑橘无融合生殖的遗传机制，能够为作物杂种优势固定提供新的思路。
柑橘中的金柑属在我国具有悠久的栽培历史，山金柑 (Hongkong kumquat, Fortunella hindsii) 是金柑属的一种常绿野生果树，其植株矮小，童期短，开花早，实生苗一至两年便可开花结果。并且山金柑具有无融合生殖和有性生殖两种类型。
理解植物无融合生殖的起源和进化是现代进化生物学最具挑战性的问题，无融合生殖被认为具有避免有性生殖过程中产生不利基因组负担的短期进化优势，能够避免不利基因的组合以及有利基因型的分离。
无融合生殖在柑橘不同属间均有发生，其进化机制一直还不明确；同一个属内的不同种间也存在不同的生殖模式，其性状的传播路线也不清晰；并且杂交起源的现代栽培柑橘均具有无融合生殖的特性，阻碍了柑橘的遗传改良。近20年来，基因组测序技术的进步和群体遗传学的发展为解析作物进化提供了新的工具和思路。
邓秀新院士团队利用短童期山金柑为材料进行了高质量染色体级别基因组的组装和遗传群体构建，实现了金柑属无融合生殖关键基因的定位。结合柑橘不同属材料的全基因组重测序数据，进一步解析了金柑属和柑橘属无融合生殖表型的平行进化机制。
研究发现，杂交起源的柑橘群体能够通过无融合生殖来保持杂交优势，并导致无融合生殖的关键MITE插入以杂合子形式存在，首次提出了无融合生殖在柑橘分化和驯化过程中的重要作用。
华中农业大学园艺林学学院博士研究生王楠为论文第一作者，邓秀新院士为论文通讯作者。中国农业科学院深圳农业基因组研究所周永锋教授、昆士兰大学Anna M.G. Koltunow教授和加州大学尔湾分校Brandon S. Gaut教授参与了论文的具体指导。中国农业科学院深圳农业基因组研究所黄三文教授和加州大学河滨分校Danelle Seymour博士在课题实施过程中的提供了重要意见和建议。
论文链接：
https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwac114/6608370
揭示H2A.Z调控早期胚胎发育新机制
近日，华中农业大学动物科学技术学院、动物医学院苗义良团队研究成果以“Hierarchical Accumulation of Histone Variant H2A.Z Regulates Transcriptional States and Histone Modifications in Early Mammalian Embryos”为题在Advanced Science发表。
研究针对鼠猪早期胚胎系统地揭示了H2A.Z在早期胚胎发育过程中的动态分布规律，并首次证实了H2A.Z的分级富集参与调节哺乳动物早期胚胎的基因表达和组蛋白修饰状态。
在哺乳动物早期胚胎发育过程中，DNA甲基化、组蛋白修饰和染色质三维结构等表观遗传信息经历了剧烈的重编程，这对胚胎内基因表达的精确调控至关重要。组蛋白变体H2A.Z在基因组上的掺入和移除也是一种重要的表观遗传信息，然而其在早期胚胎发育过程中的全基因组分布和动态变化规律仍然未知。
与DNA复制偶联的经典组蛋白不同的是，组蛋白变体H2A.Z会主动替换特定位置的经典组蛋白H2A，从而调控多种生物学事件的发生。在此过程中，组蛋白分子伴侣ANP32E和染色质重塑复合物SRCAP分别特异地调控H2A.Z在基因组上的移除和掺入。
目前已知H2A.Z和SRCAP的缺失会导致小鼠植入前胚胎死亡，提示H2A.Z对于正常胚胎发育具有重要意义，然而H2A.Z如何在早期胚胎中发挥其生物学功能还需要更进一步的研究。
研究人员首先使用ULI-NChIP-seq技术检测了卵母细胞和早期胚胎发育过程中H2A.Z在基因组分布的动态变化，并使用孤雌胚胎和精子H2A.Z ChIP-seq数据探究该组蛋白变体在亲本基因组之间的富集差异。
研究发现H2A.Z未掺入卵母细胞的基因组，而精子基因组上的H2A.Z会在受精后被整体移除，随后在合子基因组激活（ZGA）期间，H2A.Z会无偏好地掺入双亲基因组。
为了进一步明确H2A.Z在早期胚胎发育过程中扮演的角色，研究人员将胚胎H2A.Z的富集数据与胚胎转录组和RNA聚合酶Ⅱ（PolⅡ）富集数据进行联合分析，发现H2A.Z在基因启动子上的富集模式与转录活性相关，而与H2A.Z的富集信号强度无线性关系。
其中H2A.Z在活性基因启动子上呈“双峰”富集模式，而在非活性基因启动子上呈“单峰”富集模式。早先发现，胚胎干细胞中的H2A.Z会在启动子上招募编写H3K4me3的MLL复合体和编写H3K27me3的PRC2复合体4。
因此，研究人员进一步联合胚胎H3K4me3和H3K27me3的富集数据，经分析发现：呈“单峰”H2A.Z的启动子具有更高比例的H3K4me3和H3K27me3共定位情况，而呈“双峰”H2A.Z的启动子具有更高比例的H3K4me3独占情况。
随后在合子中使用显微注射技术敲降H2A.Z，并检测了H2A.Z敲降胚胎的基因表达改变和PolⅡ、H3K4me3和H3K27me3在基因组内的富集变化。结果显示，H2A.Z敲降后胚胎阻滞在桑椹胚时期，其中上调基因启动子上的H2A.Z呈“单峰”富集，并且H3K27me3的富集水平显著降低；而下调基因启动子的H2A.Z呈“双峰”富集，并且H3K4me3的富集水平显著降低。
最后，研究人员还在猪早期胚胎中明确了H2A.Z保守的富集和调控功能，以及桑椹胚阻滞的敲降表型。上述结果说明哺乳动物早期胚胎谱系分化的初期需要H2A.Z的正确富集。
华中农业大学动物科学技术学院、动物医学院苗义良教授为论文的通讯作者，刘鑫副研究员和张晶晶博士生为论文的共同第一作者。
论文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202200057
在结直肠癌的表观遗传学研究中取得新进展
近日，华中农业大学生命科学技术学院、生物医学与健康学院陈振夏团队联合武汉大学吴旻团队合作研究成果以“Dynamic chromatin states coupling with key transcription factors in colitis-associated colorectal cancer”为题在Advanced Science发表。
论文报道了AOM（偶氮甲烷）/DSS（葡聚糖硫酸钠盐）炎症诱导小鼠结直肠癌模型在肿瘤发生过程中的染色质状态变化，并基于增强子的变化模式，鉴定出具有结直肠癌抑制作用的转录因子Otx2。此项研究为结直肠癌发病机制提供了新的见解，并找到了具有治疗潜力的相关靶标转录因子。
AOM/DSS小鼠是一种常用的炎症诱导结直肠癌模型。通过周期性药物注射，可以稳定、快速诱导肿瘤生成。本研究以该模型为基础，分别在AOM注射2、4、7和10周后对小鼠进行取样，然后对样本进行转录组和H3K27ac，H3K4me1，H3K4me3，H327me3和H3K9me3等五种组蛋白修饰的ChIP-Seq测序 (图1)。
首先，通过基因表达的样本聚类和信号通路分析，研究人员将5个时间点的实验小鼠分为了3种状态：正常、炎症和癌症。其中，处理0周为正常时期，2周和4周为炎症时期，7周和10周为癌症时期。炎症时期小鼠免疫功能被激活，并持续到癌症时期。癌症时期细胞循环、DNA复制和修复相关的肿瘤通路被激活。
然后，通过将多种组蛋白修饰联合分析，研究人员定义了小鼠肿瘤发生过程中的染色质状态。大部分表达活跃的基因富含活性调控元件增强子或启动子区域。并且，随着炎症发生，以及炎癌转化，增强子元件在基因组上的覆盖区域有所增加（图2）。因此研究人员将关注点重点放在增强子状态的染色质状态上，发现在肿瘤时期新增的增强子主要来源有静息状态和启动子状态。其中，静息状态到启动子状态转变与DNA复制和DNA修复相关，而由启动子转变为增强子的基因与线粒体功能相关。
随后，研究人员分别对RNA和H3K27ac进行时间序列分析，发现新增的增强子与Wnt信号通路激活以及典型炎症通路NFκB相关，进一步表明增强子在炎癌转化过程中的核心作用。最后，研究人员通过对信号强度发生变化的增强子区域进行转录因子富集分析，鉴定并验证了转录因子Otx2具有结直肠癌抑制作用，为肿瘤研究提供了潜在的治疗靶点。
武汉大学吴旻教授和华中农业大学陈振夏教授为该文通讯作者。武汉大学陈林、华中农业大学罗志辉和武汉大学赵晨三位博士生为该文并列第一作者。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202200536
在柑橘抗铝毒胁迫研究领域取得新进展
近日，华中农业大学资源与环境学院姜存仓教授课题组与园艺林学学院刘继红教授课题组合作研究成果以“Boron contributes to excessive aluminum tolerance in trifoliate orange （Poncirus trifoliata（L.）Raf.）by inhibiting cell wall deposition and promoting vacuole compartmentation”为题在Journal of Hazardous Materials发表。
研究为揭示硼对南方酸性红壤中柑橘砧木（枳）铝毒害的缓解机制提供了新见解。
柑橘是世界第一大类水果，我国的柑橘产量和种植面积居世界首位，其主要种植于长江中下游和长江以南的酸性土壤地区。
其中，铝（Al）毒是酸性土壤中限制柑橘生长的主要胁迫因子之一。硼（B）是植物正常生长发育所必需的微量元素。研究表明，硼和铝之间具有一定的相互作用，且多项研究表明硼对植株铝毒害具有一定的缓解作用，但是更深入的缓解机制还有待探索。
枳（Poncirus trifoliata （L.）Raf.）作为柑橘的近源属植物，是柑橘栽培中的主要砧木。因此，本研究以枳为研究对象，利用水培体系，首先分析硼添加对根系有机酸分泌种类及根际pH变化分析，结果表明，铝主要诱导枳根系分泌苹果酸以响应铝毒；铝胁迫下，施硼可促进根系苹果酸的分泌（螯合根际铝）及碱化根际pH（改变根际铝形态），共同降低根系对铝的吸收，进而减弱铝对植株的毒害作用。
另外，对细胞壁果胶组分含量及特性变化分析发现，硼通过抑制低甲基酯果胶合成（较低的JM5荧光强度）、降低果胶甲酯酶活性以降低细胞壁中铝的结合位点，从而减少细胞壁中铝的积累。不同亚细胞组分中铝含量及分配表明，硼可促进液泡中铝的分配，且调控细胞质Al3+转运至液泡的PtALS1和PtALS3基因在加硼之后表现出较高的表达量。
因此，结果得出铝胁迫下加硼抑制根尖对铝的吸收，降低细胞壁中铝的积累，且进一步促进液泡对进入细胞质中的铝区隔存贮，最终减轻铝对植株的毒害作用。本项目研究结果将为酸性土壤施用硼肥提高铝毒抗性、丰富柑橘逆境胁迫的调控提供理论基础和实践参考。
华中农业大学资源与环境学院博士研究生闫磊为论文第一作者，园艺植物生物学教育部重点实验室、园艺林学学院刘继红教授和资源与环境学院姜存仓教授为论文共同通讯作者。浙江大学刘于老师以及我校博士研究生李双、程锦也参与了该项研究。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2022.129275
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