近日，生命科學(xué)學(xué)院張憲省團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中科院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所肖軍研究組在《Nature Plants》雜志在線發(fā)表了題為“Uncovering the transcriptional regulatory network involved in boosting wheat regeneration and transformation”的研究論文。中科院遺傳發(fā)育所博士生劉雪美，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院實(shí)驗(yàn)師別曉敏博士，中科院遺傳發(fā)育所助理研究員林學(xué)磊博士為共同第一作者。中科院遺傳發(fā)育所肖軍研究員和山東農(nóng)業(yè)大學(xué)張憲省教授為共同通訊作者。

植物的基因功能研究和性狀改良都依賴遺傳轉(zhuǎn)化，而小麥遺傳轉(zhuǎn)化比較困難，特別是在生產(chǎn)上推廣的品種轉(zhuǎn)化效率較低。為了更好地理解小麥的再生過程，探究其中的分子機(jī)制，以及挖掘提高小麥轉(zhuǎn)化效率的新基因，研究團(tuán)隊(duì)通過多組學(xué)聯(lián)合分析的方式繪制了小麥再生過程的轉(zhuǎn)錄及表觀修飾動(dòng)態(tài)圖譜，構(gòu)建了小麥再生的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，鑒定出2個(gè)能顯著提高小麥遺傳轉(zhuǎn)化效率的新基因。

研究團(tuán)隊(duì)以遺傳轉(zhuǎn)化效率較高的小麥品種Fielder為材料，在組織培養(yǎng)不同的時(shí)間點(diǎn)取材，進(jìn)行RNA-seq、ATAC-seq以及CUT&Tag（H3K27me3, H3K27ac, H3K4me3）多組學(xué)測(cè)序及分析。通過聚類分析發(fā)現(xiàn)小麥再生過程中存在著順序的基因表達(dá)，并且這種順序的基因表達(dá)與染色質(zhì)可及性高度相關(guān)。此外，H3K27me3的減少和H3K4me3的增加對(duì)于某些再生的關(guān)鍵基因在愈傷組織誘導(dǎo)后期的激活息息相關(guān)。基于小麥再生過程中轉(zhuǎn)錄與染色質(zhì)可及性的高度相關(guān)，研究團(tuán)隊(duì)利用RNA-seq和ATAC-seq數(shù)據(jù)搭建了一個(gè)轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)中不同聚類的基因之間存在順序的調(diào)控關(guān)系。從中鑒定到446個(gè)核心轉(zhuǎn)錄因子，并推測(cè)它們可能參與介導(dǎo)小麥遺傳轉(zhuǎn)化效率的品種差異。通過與擬南芥再生過程的比較分析，發(fā)現(xiàn)在愈傷組織早期被激活的轉(zhuǎn)錄因子家族存在差異。在小麥中最早被激活的為DOF和G2-like家族成員，而在擬南芥中最早被激活的為NAC和LBD家族成員。擬南芥中過表達(dá)NAC家族和LBD家族成員都能夠促進(jìn)再生，在小麥中測(cè)試了2個(gè)DOF家族的轉(zhuǎn)錄因子。結(jié)果顯示，它們都能顯著提高小麥多個(gè)品種的愈傷組織誘導(dǎo)率和遺傳轉(zhuǎn)化效率。該研究成果對(duì)于提升小麥轉(zhuǎn)化效率或其他作物的轉(zhuǎn)化效率有重要意義，并有廣泛的應(yīng)用前景。

圖1. 小麥再生過程的轉(zhuǎn)錄和表觀調(diào)控模型

該研究得到了中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)A專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和山東省自然科學(xué)基金重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目的資助。

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