科学家破译棉花遗传的“空间折叠密码”

如果把棉花DNA比作一根长线，传统研究大多聚焦于长线上的一个个“点位”基因，无法看到DNA链条在细胞核内的折叠、缠绕，以及由此产生的基因调控过程。 在中国工程院院士张献龙带领下，华中农业大学棉花团队王茂军教授课题组发现“三维基因组结构是传统DNA序列变异之外可供作物改良利用的新型靶标”，并在此基础上破译了棉花遗传的“空间折叠密码”，为拓展现有栽培棉的遗传多样性提供了新的方向。 9月16日，相关研究成果在线发表于《细胞》，这是该刊历史上首篇关于棉花的研究论文。

三维染色质空间组织示意图。受访团队供图 从点位到三维 何谓“棉花三维基因组研究”？通俗来讲，DNA不只是线性的序列，它会在细胞核内折叠盘绕。空间构型的变化，能够直接调控基因表达，进而左右棉花纤维的长短、品质。 王茂军打了个比方，如果把棉花DNA比作一根长线，传统研究大多聚焦于长线上的一个个“点位”（基因）。三维基因组研究，则关注这根DNA链条如何在细胞核内折叠、缠绕，以此理解基因调控的内在逻辑。 为何十余年如一日聚焦这项研究？王茂军介绍，棉花长期驯化和定向育种在改善纤维品质的同时，也伴随着栽培棉遗传多样性的下降，可利用的优异变异日益有限。因此，突破传统线性DNA变异视角，厘清驯化选择、遗传变异、染色质结构重塑、基因表达及纤维品质之间的关系，是阐明纤维品质遗传改良分子基础的新切入点。 近三年，研究团队利用涵盖半野生-栽培棉群体的301份陆地棉种质，产生了共337套纤维发育的Hi-C数据，构建了棉花群体纤维的泛三维基因组图谱，使驯化相关的染色质空间结构能够在种质间进行比较和量化。 通过整合群体重测序、泛基因组结构变异和Hi-C数据，科研人员研究发现，序列变异在染色质拓扑结构域（TAD）重构位点显著富集。然而，DNA序列并不能解释全部三维结构变化，比如群体中部分染色质重构伴随染色质开放性或组蛋白修饰改变。这表明，除DNA序列差异外，不同棉花种质之间还存在多样的空间调控差异。 锁定59个三维结构特征 传统全基因组关联分析可以研究“哪些DNA变异与性状相关”，却很难解释大量非编码变异如何通过所处的核内空间结构影响基因表达和表型。为此，该研究开发了染色质互作组关联分析方法CIWAS，将TAD边界绝缘强度和染色质环互作强度作为可量化的分子性状，进一步连接基因型、基因表达和纤维品质。 该研究筛选出与优异纤维相关的39个TAD边界和20个染色质环，提供了潜在可用于纤维品质改良的三维结构靶标。CIWAS因此不仅能够辅助识别传统GWAS难以解析的调控信号，也使TAD边界和染色质环等三维结构能够被有效纳入复杂性状遗传分析中。 研究团队进一步将呈现群体分化的TAD边界和染色质环与基于序列定义的驯化选择信号结合，鉴定出88个边界和203个染色质环呈现纯化选择信号；进一步整合驯化选择、三维结构和基因表达信息，锁定了9138个相关表达基因，其中904个在栽培棉中上调的基因显著富集于纤维发育过程。 基于具有明确功能的调控分化基因，团队构建了纤维驯化相关基因调控网络，将三维结构分化、转录重编程与纤维发育关键通路联系起来。由此，该团队把棉花驯化的分子图景，从线性序列选择延伸至核内空间调控，从而揭示了DNA序列之外隐秘的“三维驯化印记”。 改良纤维品质 为进一步揭示三维结构形成的序列基础，研究团队利用深度学习模型和计算机饱和突变分析，从棉花基因组中鉴定出2701个可能影响三维结构的高效应片段——这些DNA序列可能承载着维持染色体空间折叠的信息。 总体而言，该研究将驯化选择、遗传变异、空间结构重塑与纤维性状纳入同一遗传解析框架，发现三维基因组结构是传统DNA序列变异之外可供作物改良利用的新型靶标，破译了棉花遗传的“空间折叠密码”，为拓展现有栽培棉的遗传多样性提供了新的方向。 “接下来，我们希望不再只是描绘三维基因组图谱，而是进一步理解哪些染色质空间结构可以被预测、被干预、被重塑，并最终让这些隐秘的分子靶标服务于棉花纤维品质改良。”王茂军说。 张献龙则表示，这项研究既回应基础生物学问题，又对接棉花产业发展需求，具有一箭双雕之效。未来，希望带领团队在此基础上，探索出提高棉花纤维品质的方法，并将其应用到棉花之外的更多作物上，助力农作物的精准遗传育种，助推我国农业产业的提质增效。