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(yàn)室閔玲教授團(tuán)隊(duì)在Advanced Science期刊上發(fā)表題為“Chromatin topology reconfiguration orchestrates thermotolerant male fertility via GhAL5 in cotton”的研究成果。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室已出站博士后李焱龍（現(xiàn)就職湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)）為第一作者、新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花所楊靜助理研究員與王為然副研究員（均為華中農(nóng)業(yè)大學(xué)在讀博士生）為本文共同第一作者。閔玲教授和新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花所孔杰研究員為共同通訊作者。

該研究以極端耐熱品系“84021”和高溫敏感品系“H05”為材料，在花藥發(fā)育的三個關(guān)鍵時期（四分體期、絨氈層降解期、花藥開裂期）獲得了系統(tǒng)的RNA-seq、原位Hi-C、ATAC-seq和ChIP-seq數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)，高溫下敏感材料“H05”表現(xiàn)出更劇烈的轉(zhuǎn)錄激活，尤其是上調(diào)基因比例顯著高于耐熱材料。通過共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析鑒定到多個與熱脅迫響應(yīng)的核心模塊。作為異源四倍體，棉花的At和Dt亞基因組間存在廣泛的同源基因。研究發(fā)現(xiàn)，耐熱材料“84021”在高溫脅迫下，更多同源基因?qū)A向于從“偏向表達(dá)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤捌胶獗磉_(dá)”，在敏熱材料“H05”中相反；在單細(xì)胞水平也發(fā)現(xiàn)同樣現(xiàn)象，在高溫敏感的絨氈層和小孢子等細(xì)胞類型中表達(dá)偏倚嚴(yán)重，而相對耐熱的表皮細(xì)胞等亞基因組表達(dá)相對平衡，說明亞基因組表達(dá)平衡與細(xì)胞耐熱性密切相關(guān)。

整合多組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，高溫脅迫驅(qū)動了棉花花藥三維結(jié)構(gòu)的動態(tài)變換，主要觀察到耐熱材料“84021”在花藥開裂期傾向于A向B轉(zhuǎn)換（基因沉默趨勢），而敏感材料“H05”則呈現(xiàn)大量B向A轉(zhuǎn)換（基因激活趨勢），且At亞基因組的響應(yīng)更為顯著；轉(zhuǎn)座子（TE）在動態(tài)TAD邊界處轉(zhuǎn)錄活躍，其活性與TAD邊界的形成和維持相關(guān)。有趣的是，高溫下耐熱材料能獲得更多包含同源基因?qū)Φ摹巴碩AD”，這有助于同源基因的共表達(dá)，而敏感材料則呈現(xiàn)相反趨勢；將連接基因與非基因區(qū)的G-N環(huán)進(jìn)一步分為G-ON（連接開放染色質(zhì)區(qū)）和G-CN（連接關(guān)閉染色質(zhì)區(qū)）兩類。發(fā)現(xiàn)敏感材料“H05”在高溫下具有更高比例的G-ON環(huán)，染色質(zhì)環(huán)景觀過度激活，可能導(dǎo)致有害基因的過量表達(dá)，是其易發(fā)生雄性不育的重要原因之一。

通過整合三維基因組動態(tài)與共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)，鎖定了一個Alfin-like家族轉(zhuǎn)錄因子基因GhAL5。在耐熱材料中，GhAL5穩(wěn)定位于TAD邊界，且連接豐富的染色質(zhì)環(huán)；而在敏感材料中，高溫脅迫驅(qū)動GhAL5從TAD內(nèi)部遷移至邊界，伴隨染色質(zhì)環(huán)的顯著增加與基因的劇烈誘導(dǎo)表達(dá)。Capture-C實(shí)驗(yàn)證實(shí)了該位點(diǎn)在高溫下的染色質(zhì)互作動態(tài)。在棉花中過表達(dá)GhAL5顯著增強(qiáng)了苗期耐熱性和高溫下的花粉活力，而RNAi干擾和CRISPR敲除株系則表現(xiàn)出熱敏感表型和極高的花粉不育率。將GhAL5在水稻中異源過表達(dá)，同樣能顯著提升水稻的耐熱性。在辣椒中的瞬時表達(dá)與基因沉默實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了其功能的保守性。這表明GhAL5是一個具有廣譜應(yīng)用潛力的“熱保護(hù)”基因。對GhAL5遺傳材料的三維基因組分析發(fā)現(xiàn)，GhAL5 RNAi株系在高溫下發(fā)生了更廣泛的B向A區(qū)室轉(zhuǎn)換，模擬了敏感材料的異常激活狀態(tài)，而過表達(dá)株系則維持了更穩(wěn)定的基因組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這表明GhAL5可能通過“穩(wěn)定TAD邊界、防止染色質(zhì)異常解壓縮”和“通過其PHD結(jié)構(gòu)域識別組蛋白修飾、調(diào)控增強(qiáng)子-啟動子環(huán)化”的雙重機(jī)制，協(xié)調(diào)三維基因組重排以保障轉(zhuǎn)錄穩(wěn)態(tài)。

GhAL5正向調(diào)控棉花耐熱性