大豆進化與馴化表觀遺傳調控規律獲揭示

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近日，南京農業大學多倍體團隊在《植物細胞》上發表研究論文。該研究整合三維基因組、染色質可及性、組蛋白修飾、DNA甲基化和轉錄組，深入解析了在大豆多倍化、二倍化與人工馴化過程中，三維基因組結構重塑如何協同表觀遺傳修飾調控基因表達和重要農藝性狀。

基因組多倍化（全基因組復制）是物種形成和進化的重要驅動力，在自然界中廣泛存在。大豆是典型的古多倍體，其祖先與菜豆祖先分化后，又經歷一次全基因組多倍化并伴隨著緩慢的二倍化過程，導致近75%的基因以多拷貝形式存在。在約6000至9000年前的東亞地區，野生大豆被馴化為栽培大豆，其農藝性狀發生顯著改變。然而，在大豆多倍化、進化和馴化過程中，表觀遺傳在調控基因表達和重要農藝性狀中的作用仍然知之甚少。

真核生物的基因組在細胞核內折疊成不同程度的高級結構，如區室結構（A/B compartments）、拓撲結構域（TAD）和染色質環（chromatin loop）等。該研究通過比較大豆與菜豆，發現多倍化導致基因組三維結構發生顯著改變，促進了TAD的產生。而在長期二倍化過程中，染色體斷裂部位更容易發生在TAD的邊界，并且會造成顯著的染色體互作變化。與其他基因相比，大豆基因組中全基因組重復基因更多分布在區室A，并且呈現更強的染色質互作、更高的染色質可及性和表達水平。進一步的研究揭示，染色質互作會協同染色質可及性、組蛋白修飾和DNA甲基化調控重復基因之間的偏向表達。

人工馴化過程中，馴化選擇區域傾向于發生在區室B，而品種改良選擇區域更易發生在區室A。野生大豆和栽培大豆之間染色質互作的變異會顯著促進基因表達的變化，并且形成染色質環的基因受到更強烈的人工選擇。這些結果表明人工馴化導致的三維基因組結構變異可能有助于重要農藝性狀的改良。

該研究通過多組學分析揭示了大豆多倍化與馴化過程中三維基因組結構的變化和調控作用，為大豆的進化和馴化的表觀遺傳調控研究提供了新觀點。