華中農(nóng)業(yè)大學(xué)油菜團(tuán)隊趙倫研究組揭示油菜異源多倍化亞基因組協(xié)同進(jìn)化新規(guī)律

多倍化推動了新物種的形成，增強(qiáng)了植物的環(huán)境適應(yīng)能力，并孕育出小麥、油菜、棉花等多種重要作物。異源多倍體在進(jìn)化過程中需克服“基因組沖擊”，這一過程伴隨大規(guī)模遺傳變異和和表觀基因組重塑。然而，基因組與表觀基因組在多倍化后的協(xié)作規(guī)律仍知之甚少，亟待深入研究。

近日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良全國重點(diǎn)實(shí)驗室油菜遺傳改良創(chuàng)新團(tuán)隊趙倫教授研究組在國際學(xué)術(shù)期刊Horticulture Research上發(fā)表了題為Genomic and epigenomic coordination maintains subgenome transcriptional balance in allotetraploidBrassica napus的研究論文。該研究以白菜(ArAr)、甘藍(lán)(CoCo)及其異源四倍體甘藍(lán)型油菜(AnAnCnCn)為材料，揭示了異源多倍化后基因組與表觀基因組的協(xié)同進(jìn)化新規(guī)律，闡明了其在維持亞基因組轉(zhuǎn)錄平衡中的核心作用，為理解作物多倍化適應(yīng)機(jī)制與遺傳改良提供了新理論基礎(chǔ)。

該研究構(gòu)建了目前最全面的白菜和甘藍(lán)表觀遺傳圖譜，整合組蛋白修飾、染色質(zhì)可及性、DNA 甲基化與轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，揭示異源四倍體甘藍(lán)型油菜在形成與穩(wěn)定過程中伴隨廣泛的遺傳變異和表觀基因組重塑特征。基于序列與表觀遺傳特征，本研究將同源基因?qū)澐譃槿悺Ｆ渲校琁類同源基因（序列保守且表觀遺傳特征一致）在異源四倍體油菜An與Cn亞基因組中的比例顯著高于二倍體祖先，表明異源四倍體中基因組與表觀遺傳組發(fā)生了協(xié)同趨同。這一現(xiàn)象在人工合成甘藍(lán)型油菜中亦得到驗證，說明協(xié)同趨同可在多倍化初期快速建立。這些趨同基因富集于基因組穩(wěn)定性維持和非生物脅迫響應(yīng)等關(guān)鍵通路。An與Cn亞基因組的表達(dá)差異顯著縮小，其中Cn顯示出更高的序列保守性和表觀遺傳穩(wěn)態(tài)，而An中受變異影響的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)趨向于Cn的調(diào)控狀態(tài)，表明異源多倍體通過多層次調(diào)控有效緩解了亞基因組間的沖突。綜上，異源四倍體油菜通過基因組與表觀遺傳組的協(xié)同變化實(shí)現(xiàn)亞基因組的穩(wěn)定與協(xié)調(diào)，為理解異源多倍體的形成機(jī)制與適應(yīng)性進(jìn)化提供了重要見解。

圖1. 甘藍(lán)型油菜異源四倍化后基因組和表觀基因組協(xié)同趨同

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)博士研究生周潔為該論文的第一作者，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)趙倫教授為通訊作者。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所馬夢博士、河南大學(xué)章清博士等參與了研究，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)沈金雄教授、趙虎研究員等給予了重要指導(dǎo)。這是該團(tuán)隊繼創(chuàng)建 eChIP-seq、aChIP-seq和ChIA-PET等植物表觀及三維基因組學(xué)技術(shù)(Nature Communications, 2019, 2020; Genome Biology, 2022, 2023)，啟動油菜 ENCODE 計劃并解析油菜種子休眠與萌發(fā)的表觀遺傳調(diào)控機(jī)制(Molecular Plant, 2021; Nature Plants, 2024)，以及揭示雜交油菜耐鹽堿機(jī)制(New Phytologist, 2025)之后，在油菜表觀遺傳領(lǐng)域取得的又一重要進(jìn)展(Horticulture Research, 2025)。該研究得到國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃等項目資助。

課題組信息詳見：

https://faculty.hzau.edu.cn/zhaolun/zh_CN/index.htm

論文鏈接：

https://academic.oup.com/hr/advance-article/doi/10.1093/hr/uhaf266/8271419