Pan起來~~~ 基於Cell數據發一篇Genome biology - 中科院田誌喜研究組解析大豆三維基因組遺傳多樣性
染色質的高級結構是基因組中順式作用元件發揮功能的先決條件，其在基因表達調控中發揮著重要作用。在真核生物中，三維基因組的組織呈現出層次模式，染色質可以在多個層次上劃分為不同的結構和功能單位，如染色質疆域(Chromosome Territory, CT)、A/B區室(A/B compartment)、拓撲關聯結構域(Topologically Associated Domain, TAD)和染色質環(Chromatin Loop)等。在哺乳動物研究中，胚胎發育中三維基因組的動態變化已有了較多報導。但是，在植物中，尤其在高等植物中，關於三維基因組遺傳多樣性的深入研究尚未開展。基因組變異和三維基因組變異的關係、三維基因組變異在作物馴化中的效應等諸多科學問題迄今為止仍知之甚少。
中國科學院遺傳與發育生物學研究所田誌喜研究組根據前期進行基因組重頭組裝的27份大豆種質材料(Cell, 2020)，利用高通量染色質構象捕獲(High-through chromosome conformation capture, Hi-C)技術，獲得高質量的三維基因組數據。為了調查大豆不同種質中三維基因組的保守性和變異性，研究團隊利用泛組學的方法，構建了大豆的泛三維基因組。結果顯示，A/B區室在大豆種質間是相對保守的，A/B區室的變異與基因組特徵密切相關。與A/B區室不同，TAD邊界在27份大豆種質中呈現出更高水平的變異。進一步研究揭示，Non-LTR反轉座子(LINE元件和SINE元件)，在大豆TAD邊界附近呈現富集狀態，表明其在植物TAD邊界維持中具有重要功能；Gypsy轉座元件和衛星重複序列，特異性富集在私有TAD邊界附近，表明其在種質特異性TAD邊界形成中發揮獨特作用。
基因組的結構變異是遺傳變異的主要來源。長期以來，由於缺乏高質量的結構變異數據，三維基因組變異和基因組結構變異的關係一直不夠明確。研究團隊利從基因組組裝中獲得的高質量結構變異數據，進一步探究了基因組結構變異與三維基因組變異之間的關係。研究顯示，在不同類型結構變異中，存在與缺失變異(Presence and Absence Variation, PAV)對三維基因組變異起到了最關鍵的作用。關聯分析表明Gypsy元件和衛星重複序列，在形成私有TAD邊界的結構變異中，含量顯著升高。這些結果證實了轉座元件通過驅動結構變異，從而重塑三維基因組的進化路線。為了探究了三維基因組多樣性和基因表達的關係，研究團隊從多個水平驗證了三維基因組和基因表達的相關性。此外，研究團隊還從作物馴化的角度，探究了野生種、地方品種和現代栽培品種中，三維基因組的選擇歷程。研究表明，三維基因組的選擇，主要發生在馴化階段而非改良階段，這種選擇重塑了基因表達調控的信息，最終導致大豆馴化改良中的基因表達變化。
該研究成果以「Pan-3D genome analysis reveals structural and functional differentiation of soybean genomes」為題，於2023年1月19日在線發表於《Genome Biology》雜誌(DOI：10.1186/s13059-023-02854-8)。中科院遺傳發育所在讀博士生倪令斌為本論文第一作者，田誌喜研究員為論文的通訊作者。此外，中科院遺傳發育所副研究員張敏、劉書林、申妍婷，博士後劉羽誠、劉騰飛、馬新、梁前進，在讀學生楊霄月、王釗，以及北京市農林科學院王正研究員也參與了此項研究。該研究得到了國家重點計劃研發項目、中國科學院戰略重點研究計劃、國家自然科學基金等項目的資助。
圖:大豆種質中TAD邊界的泛三維基因組和轉座元件分布模式