近日，作物遺傳改良國家重點實驗室棉花遺傳改良團隊發表了題為“Plant 3D genomics: the exploration and application of chromatin organization”的綜述文章，總結了三維基因組研究方法的最新進展，歸納了三維基因組學規律在植物中的應用，同時提出了三維基因組學在植物研究中的未來發展方向。
真核生物的基因組在細胞核中不是随機分布的，而是排列成具有重要功能意義的高級染色質結構。染色質的空間結構允許在一維基因組序列中遠離目标基因的調控元件接近目标基因，以促進其轉錄。三維基因組學的研究技術主要分為兩類：第一類是細胞學和顯微鏡技術，該類技術原理主要是對DNA或者染色質進行标記，然後通過顯微鏡觀察染色質的空間結構，如3D-FISH和FP-tagging等技術；第二類技術是染色質構象捕捉技術及其衍生技術，這一類技術主要是基于酶切DNA和近端連接，如3C、4C、Hi-C等。同時，近些年還出現了一些不需要近端連接的新技術，如SPRITE、ChIA-Drop和GAM等。那麼在植物研究中究竟有哪些技術得到了應用呢？作者圍繞這個問題展開，總結了目前在植物中已應用的技術，如Hi-C，ChIA-PET，Capture Hi-C等等。
運用這些技術，在植物中發現了跟動物中類似的層級結構（圖1）。核小體相互作用形成染色質纖維，然後這些染色質纖維由于順式元件之間的相互作用而形成染色質環。染色質環在結構蛋白以及調控因子的作用下形成相對穩定的拓撲結構域（TAD）。在相似的表觀遺傳環境中，TAD相互作用形成染色質區室，并且同一染色體上的所有染色質區室合并形成染色體疆域。同時，植物中的結構與動物中也存在差異，最突出的是TAD結構的差異。植物中的TAD結構缺乏動物中顯著的CTCF絕緣蛋白，與動物中的功能也有所不同。
三維基因組學在植物中的應用已經越來越廣泛（圖2）。染色質構象與基因表達和調控密切相關，染色質相互作用強的區域通常表現出功能依賴性。在植物中，利用三維基因組學相關技術，已經能夠構建基因轉錄調控的交互圖譜；通過整合三維基因組數據、表達數量性狀位點(eQTL)和全基因組關聯分析（GWAS）數據，可以識别性狀相關的非編碼調控變異，并在三維基因組水平上探讨eQTL與基因之間的空間關系；結合Hi-C、組蛋白修飾、DNA甲基化和基因表達數據，可以研究染色質結構的進化動力學，及其對不同物種染色體進化和轉錄調控的影響等。在未來，基于新的技術，三維基因組的折疊機制、轉座子擴張對三維基因組的影響、單倍型三維基因組等研究也會在植物中取得新的突破。
77779193永利官网博士研究生裴柳玲為論文第一作者，王茂軍教授為論文通訊作者，張獻龍教授、李國亮教授和英國杜倫大學的Keith Lindsey教授參與項目讨論。該研究得到了國家自然科學基金的資助。
圖1：染色質的層級結構
圖2：三維基因組在植物中的研究方向
論文鍊接：https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/nph.17262
審核人：王茂軍
