科學家構建小麥籽粒發育中的轉錄調控圖譜

近日，中國農業科學院作物科學研究所研究員路則府團隊在《生物技術通報（英文）》（aBIOTECH）發表了文章，構建了小麥籽粒發育不同階段的全基因組染色質開放圖譜以及基因表達圖譜，并對小麥籽粒發育中關鍵轉錄因子的調控網絡進行了解析，揭示了小麥籽粒發育中亞基因組的分化調控，同時發掘了共調控淀粉與蛋白合成的轉錄因子，為小麥品質的改良提供理論基礎。

小麥（Triticum aestivum L.）是全球糧食安全最重要的作物之一，提供了人類消耗熱量和蛋白質的1/5以上。普通小麥是異源六倍體(AABBDD, 2n=6x=42)，基因組大小約15G，其中90%以上為非編碼區，蘊含豐富的調控元件。小麥三個亞基因組基因表達模式和水平的分化被認為是小麥多倍體優勢形成的基礎，但是基因表達分化產生的基礎并不清楚。小麥籽粒主要由種皮、胚乳和胚組成，其中胚乳是儲存器官，在籽粒發育過程中積累大量淀粉和蛋白質，是面粉的主要來源。因此，闡明小麥籽粒發育過程中的轉錄調控網絡，挖掘影響小麥籽粒發育的關鍵調控因子，對解析小麥產量和品質形成的分子基礎具有重要意義。

研究團隊結合ATAC-seq和RNA-seq數據，分析了小麥籽粒不同發育階段（授粉后5、9、15、20天）的全基因組開放染色質區域以及基因表達模式，發現染色質可及性變化與基因的表達水平呈正相關關系，并且隨著種子逐漸成熟，遠端開放染色質的比例逐漸增加。

該團隊進一步鑒定了不同階段特異開放的染色質區域的轉錄因子結合位點，發現不同發育階段參與的轉錄因子存在豐富的亞基因組偏好性。其中在小麥授粉后的5天和9天的胚乳中，NAC、bZIP和SPL等轉錄因子在A亞基因組上的開放染色質區域中顯著富集；而在小麥授粉15天、20天的籽粒中，NAC、ARF和MYB等轉錄因子在B和D亞基因組上的開放染色質區域中顯著富集。

作者同時預測了關鍵轉錄因子與淀粉和貯藏蛋白生物合成相關基因之間的潛在相互作用網絡，并采用雙熒光素酶報告基因實驗對該網絡進行了驗證。結果表明，NAC100對淀粉合成通路和谷蛋白合成途徑均具有轉錄激活活性，并且多個轉錄因子可以同時協同調節小麥淀粉和蛋白質合成途徑。

該研究提供了小麥籽粒發育的順式調控元件以及反式作用因子等大量資源，并構建了小麥籽粒發育過程中的轉錄調控網絡，為小麥產量和品質調控的分子機制研究提供基礎，相關數據可以在數據庫（http://43.138.109.113/WELab）中查詢使用。

該研究得到了國家自然科學基金優秀青年科學家基金（海外）、中央公益性科學機構基礎研究基金、中國農業科學院作物科學研究所基礎研究基金資助和中國農業科學院農業科技創新計劃的支持。中國農業科學院作物科學研究所助理研究員裴洪翠和碩士研究生李雨珊為本文共同第一作者，路則府研究員為通訊作者。