華中農業大學油菜團隊開發aChIP技術揭示油菜乾種子表觀遺傳調控新模式

核心提示：近日，華中農業大學作物遺傳改良全國重點實驗室油菜遺傳改良創新團隊趙倫課題組在國際學術期刊Nature Plants發表了題爲“aChIP is an efficient and sensitive ChIP-seqtechnique for economically important plant organs”的研究論文。該研究開發了一種普遍適用於植物經濟器官的aChIP技術，以油菜爲例，首次解析了作物種子休眠和萌發過程中組蛋白修飾景觀的動態變化及其潛在功能。……（世界食品網-www.shijieshi

精準鑑定染色質相關蛋白的全基因組結合位點與特徵對於全面理解其功能至關重要。染色質免疫共沉澱測序（ChIP-seq）技術廣泛應用於鑑定全基因組組蛋白修飾和轉錄因子以及染色質修飾酶等染色質相關蛋白的結合位點，是表觀基因組和功能基因組研究的核心技術之一。作物種子、果蔬果實和花卉林木等作物重要經濟器官爲人類提供必需的營養物質、工業原料和美學享受，是人類生存和文明發展的重要基礎。然而，由於這些經濟器官通常具有堅硬的細胞壁和複雜的細胞代謝物，現有ChIP-seq技術難以適用，阻礙了其深入研究。因此，亟需開發一種高效、穩定、廣泛適用於植物經濟器官的ChIP-seq新方法，助力作物經濟器官表觀基因組和功能基因組研究。近日，華中農業大學作物遺傳改良全國重點實驗室油菜遺傳改良創新團隊趙倫課題組在國際學術期刊Nature Plants發表了題爲“aChIP is an efficient and sensitive ChIP-seqtechnique for economically important plant organs”的研究論文。該研究開發了一種普遍適用於植物經濟器官的aChIP技術，以油菜爲例，首次解析了作物種子休眠和萌發過程中組蛋白修飾景觀的動態變化及其潛在功能。

ChIP-seq被認爲是鑑定全基因組組蛋白修飾和染色質相關蛋白結合位點的金標準。染色質相關蛋白包括組蛋白、轉錄因子和染色質修飾酶等。然而，由於作物經濟器官通常具有堅硬的細胞壁和複雜的細胞代謝物（如澱粉、油脂、蛋白質、糖類、酚類、色素、果膠和纖維等），使得現有ChIP-seq等技術難以應用於這些器官。據統計，目前已發表的植物ChIP-seq數據中，僅有3.5%來自植物經濟器官，且其數據質量有待提高。

爲突破這一技術瓶頸，本研究通過創新染色質分離策略，開發了aChIP技術。aChIP能夠同時有效去除植物細胞壁和細胞內含物，顯著提高染色質提取效率和免疫共沉澱效率。aChIP技術適用於所有測試的14種植物經濟器官（包括油菜、大豆、玉米、水稻和擬南芥種子、番茄果實、土豆塊莖、橙子果皮和果肉、康乃馨花瓣、甘蔗和楊樹莖稈等），成功繪製了多種代表性組蛋白修飾圖譜並鑑定了染色質蛋白（如轉錄因子CAMTA3、DNA結合蛋白MBD7和DNA去甲基化酶DME）的全基因組結合位點。這些結果證明aChIP對不同作物經濟器官的普適性和穩定性。

此外，作物幹種子對ChIP-seq技術來說是極限挑戰。與幼苗等活躍的新鮮組織相比，幹種子處於休眠狀態，細胞活動極弱，但儲存了豐富的代謝和營養物質，是一個特殊的組織和發育階段。長期以來，幹種子中是否存在組蛋白修飾，有哪些類型，其功能是什麼，均不清楚。該研究利用aChIP技術，首次揭示了油菜等作物幹種子中的組蛋白修飾景觀，確定作物幹種子中仍然存在多種不同類型的組蛋白修飾，爲進一步研究其轉錄調控功能奠定了數據基礎。

再者，在植物營養組織中，aChIP的ChIP-DNA富集效率是現有方法的3-50倍，同時能夠鑑定大量現有方法未鑑定到的低丰度修飾位點。這些結果證明了aChIP的高效性和靈敏性。

最後，本研究深入探究了油菜種子休眠和萌發過程的表觀遺傳調控模式。利用aChIP技術產出了油菜開花後50天種子、幹種子、萌發種子和幼葉中5種代表性的高質量組蛋白修飾數據。聯合分析轉錄組數據，發現油菜種子休眠和萌發過程中發生了劇烈的組蛋白修飾景觀重塑。與幼葉等新鮮組織不同，種子脫水休眠過程組蛋白修飾與基因轉錄的相關性逐漸減弱，幹種子中基本消失，但種子萌發時迅速恢復。這是首次解析油菜種子休眠和萌發過程的組蛋白修飾景觀動態變化，揭示了幹種子中特有的表觀遺傳修飾模式及其潛在功能。

Nature plants同期配發了題爲“aChIP for comprehensive chromatin profiling in economically important plant organs”的研究簡報。期刊編輯對此項研究給予了高度評價，指出“由於植物細胞壁和多種代謝產物的複雜性，許多具有重要經濟價值的植物器官的ChIP-seq實驗難以成功。這項研究的亮點在於開發了一種創新的aChIP技術，成功解決這些問題，繪製了多個物種和器官的組蛋白修飾和轉錄因子結合位點圖譜，爲植物重要經濟器官（如油菜乾種子）提供了高質量的ChIP-seq數據”。

綜上所述，aChIP是一種高質、高效、靈敏、穩定的植物高階ChIP-seq技術，適用於所有測試的植物器官，特別是作物重要經濟器官。這一技術將顯著推進油菜等作物經濟器官表觀基因組和功能基因組研究，爲作物遺傳改良提供堅實的技術基礎。

華中農業大學博士後章清和博士研究生鍾文瑩爲論文共同第一作者，華中農業大學趙倫教授爲通訊作者。華中農業大學傅廷棟院士、沈金雄教授、李國亮教授和南方科技大學朱健康院士等給與了重要指導，華中農業大學張飛教授、楊寧教授、丁寄花教授、傅小鵬教授和南京大學陳迪俊教授等提供了相關材料和數據。該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金，中國博士後科學基金等資助。

【英文摘要】Chromatin immunoprecipitation followed by sequencing （ChIP-seq） is crucial for profiling histone modifications and transcription factor binding throughout the genome. However, its application in economically important plant organs （EIPOs） such as seeds, fruits and flowers is challenging due to their sturdy cell walls and complex constituents. Here we present advanced ChIP （aChIP）， an optimized method that efficiently isolates chromatin from plant tissues while simultaneously removing cell walls and cellular constituents. aChIP precisely profiles histone modifications in all 14 tested EIPOs and identifies transcription factor and chromatin-modifying enzyme binding sites. In addition, aChIP enhances ChIP efficiency, revealing numerous novel modified sites compared with previous methods in vegetative tissues. aChIP reveals the histone modification landscape for rapeseed dry seeds, highlighting the intricate roles of chromatin dynamics during seed dormancy and germination. Altogether, aChIP is a powerful, efficient and sensitive approach for comprehensive chromatin profiling in virtually all plant tissues, especially in EIPOs.

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41477-024-01743-7

研究簡報：https://www.nature.com/articles/s41477-024-01744-6

日期：2024-10-12