精準(zhǔn)鑒定染色質(zhì)相關(guān)蛋白的全基因組結(jié)合位點(diǎn)與特征對(duì)于全面理解其功能至關(guān)重要。染色質(zhì)免疫共沉淀測(cè)序（ChIP-seq）技術(shù)廣泛應(yīng)用于鑒定全基因組組蛋白修飾和轉(zhuǎn)錄因子以及染色質(zhì)修飾酶等染色質(zhì)相關(guān)蛋白的結(jié)合位點(diǎn)，是表觀基因組和功能基因組研究的核心技術(shù)之一。作物種子、果蔬果實(shí)和花卉林木等作物重要經(jīng)濟(jì)器官為人類提供必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、工業(yè)原料和美學(xué)享受，是人類生存和文明發(fā)展的重要基礎(chǔ)。然而，由于這些經(jīng)濟(jì)器官通常具有堅(jiān)硬的細(xì)胞壁和復(fù)雜的細(xì)胞代謝物，現(xiàn)有ChIP-seq技術(shù)難以適用，阻礙了其深入研究。因此，亟需開發(fā)一種高效、穩(wěn)定、廣泛適用于植物經(jīng)濟(jì)器官的ChIP-seq新方法，助力作物經(jīng)濟(jì)器官表觀基因組和功能基因組研究。
近日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室油菜遺傳改良創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)趙倫課題組在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Nature Plants發(fā)表了題為“aChIP is an efficient and sensitive ChIP-seqtechnique for economically important plant organs”的研究論文。該研究開發(fā)了一種普遍適用于植物經(jīng)濟(jì)器官的aChIP技術(shù)，以油菜為例，首次解析了作物種子休眠和萌發(fā)過程中組蛋白修飾景觀的動(dòng)態(tài)變化及其潛在功能。
ChIP-seq被認(rèn)為是鑒定全基因組組蛋白修飾和染色質(zhì)相關(guān)蛋白結(jié)合位點(diǎn)的金標(biāo)準(zhǔn)。染色質(zhì)相關(guān)蛋白包括組蛋白、轉(zhuǎn)錄因子和染色質(zhì)修飾酶等。然而，由于作物經(jīng)濟(jì)器官通常具有堅(jiān)硬的細(xì)胞壁和復(fù)雜的細(xì)胞代謝物（如淀粉、油脂、蛋白質(zhì)、糖類、酚類、色素、果膠和纖維等），使得現(xiàn)有ChIP-seq等技術(shù)難以應(yīng)用于這些器官。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前已發(fā)表的植物ChIP-seq數(shù)據(jù)中，僅有3.5%來自植物經(jīng)濟(jì)器官，且其數(shù)據(jù)質(zhì)量有待提高。
為突破這一技術(shù)瓶頸，本研究通過創(chuàng)新染色質(zhì)分離策略，開發(fā)了aChIP技術(shù)。aChIP能夠同時(shí)有效去除植物細(xì)胞壁和細(xì)胞內(nèi)含物，顯著提高染色質(zhì)提取效率和免疫共沉淀效率。aChIP技術(shù)適用于所有測(cè)試的14種植物經(jīng)濟(jì)器官（包括油菜、大豆、玉米、水稻和擬南芥種子、番茄果實(shí)、土豆塊莖、橙子果皮和果肉、康乃馨花瓣、甘蔗和楊樹莖稈等），成功繪制了多種代表性組蛋白修飾圖譜并鑒定了染色質(zhì)蛋白（如轉(zhuǎn)錄因子CAMTA3、DNA結(jié)合蛋白MBD7和DNA去甲基化酶DME）的全基因組結(jié)合位點(diǎn)。這些結(jié)果證明aChIP對(duì)不同作物經(jīng)濟(jì)器官的普適性和穩(wěn)定性。
此外，作物干種子對(duì)ChIP-seq技術(shù)來說是極限挑戰(zhàn)。與幼苗等活躍的新鮮組織相比，干種子處于休眠狀態(tài)，細(xì)胞活動(dòng)極弱，但儲(chǔ)存了豐富的代謝和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，是一個(gè)特殊的組織和發(fā)育階段。長(zhǎng)期以來，干種子中是否存在組蛋白修飾，有哪些類型，其功能是什么，均不清楚。該研究利用aChIP技術(shù)，首次揭示了油菜等作物干種子中的組蛋白修飾景觀，確定作物干種子中仍然存在多種不同類型的組蛋白修飾，為進(jìn)一步研究其轉(zhuǎn)錄調(diào)控功能奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
再者，在植物營(yíng)養(yǎng)組織中，aChIP的ChIP-DNA富集效率是現(xiàn)有方法的3-50倍，同時(shí)能夠鑒定大量現(xiàn)有方法未鑒定到的低豐度修飾位點(diǎn)。這些結(jié)果證明了aChIP的高效性和靈敏性。
最后，本研究深入探究了油菜種子休眠和萌發(fā)過程的表觀遺傳調(diào)控模式。利用aChIP技術(shù)產(chǎn)出了油菜開花后50天種子、干種子、萌發(fā)種子和幼葉中5種代表性的高質(zhì)量組蛋白修飾數(shù)據(jù)。聯(lián)合分析轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)油菜種子休眠和萌發(fā)過程中發(fā)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(zhuǎn)錄的相關(guān)性逐漸減弱，干種子中基本消失，但種子萌發(fā)時(shí)迅速恢復(fù)。這是首次解析油菜種子休眠和萌發(fā)過程的組蛋白修飾景觀動(dòng)態(tài)變化，揭示了干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(fā)了題為“aChIP for comprehensive chromatin profiling in economically important plant organs”的研究簡(jiǎn)報(bào)。期刊編輯對(duì)此項(xiàng)研究給予了高度評(píng)價(jià)，指出“由于植物細(xì)胞壁和多種代謝產(chǎn)物的復(fù)雜性，許多具有重要經(jīng)濟(jì)價(jià)值的植物器官的ChIP-seq實(shí)驗(yàn)難以成功。這項(xiàng)研究的亮點(diǎn)在于開發(fā)了一種創(chuàng)新的aChIP技術(shù)，成功解決這些問題，繪制了多個(gè)物種和器官的組蛋白修飾和轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)圖譜，為植物重要經(jīng)濟(jì)器官（如油菜干種子）提供了高質(zhì)量的ChIP-seq數(shù)據(jù)”。
綜上所述，aChIP是一種高質(zhì)、高效、靈敏、穩(wěn)定的植物高階ChIP-seq技術(shù)，適用于所有測(cè)試的植物器官，特別是作物重要經(jīng)濟(jì)器官。這一技術(shù)將顯著推進(jìn)油菜等作物經(jīng)濟(jì)器官表觀基因組和功能基因組研究，為作物遺傳改良提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。
華中農(nóng)業(yè)大學(xué)博士后章清和博士研究生鐘文瑩為論文共同第一作者，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)趙倫教授為通訊作者。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)傅廷棟院士、沈金雄教授、李國(guó)亮教授和南方科技大學(xué)朱健康院士等給與了重要指導(dǎo)，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)張飛教授、楊寧教授、丁寄花教授、傅小鵬教授和南京大學(xué)陳迪俊教授等提供了相關(guān)材料和數(shù)據(jù)。該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金，中國(guó)博士后科學(xué)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(jiǎn)報(bào)：https://www.nature.com/articles/s41477-024-01744-6
行業(yè)：
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