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王佳伟研究组描绘拟南芥芽再生染色质状态动态图谱

日期:2022-01-22  访问次数:104

        随着基因编辑技术的快速发展,植物再生效率低逐渐成为未来作物设计的瓶颈。植物芽再生一般分为两个步骤:首先,离体植物组织(外植体,explant)在高生长素/细胞分裂素配比培养基(callus induced medium, CIM)上诱导愈伤组织(callus)形成,接下来在高细胞分裂素/生长素配比培养基培养基(shoot induced medium, SIM)上诱导芽的发生。先前的研究表明,细胞分裂是愈伤组织形成的先决条件。在高浓度生长素的作用下,外植体逐步实现从体细胞向多能性(pluripotency)干细胞的转变,获得再生潜能。其中愈伤组织中间层细胞(middle cell layer)具有干细胞特征,处于未分化状态。在芽诱导阶段,细胞分裂素通过诱导茎尖分生组织特征基因的表达,起始芽的从头建立。过去十几年的研究表明,芽的再生过程经历了转录水平的大规模重塑,然而生长素和细胞分裂素如何在染色质水平依次调控外植体体细胞的命运转变仍不清楚。

  2022年1月20日,国际学术期刊Developmental Cell在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心王佳伟研究组题为“Dynamic chromatin state profiling reveals regulatory roles of auxin and cytokinin in shoot regeneration ”的研究论文。该研究通过构建拟南芥芽再生过程的染色质状态动态图谱,揭示了生长素和细胞分裂素时序性调控外植体体细胞命运转变,诱导细胞多能性产生,并进而实现芽再生的分子机制。相关研究成果加深了我们对植物细胞重编程原理的理解,也为提高植物再生效率提供了有用的靶标基因和顺式元件(cis-element)。

  研究人员首先对拟南芥芽再生过程多个时间节点的ATAC-seq、组蛋白修饰ChIP-seq和转录组数据进行整合分析,构建了一张高精度的芽再生过程染色质状态图谱,将拟南芥基因组各个区段分别用15种不同的染色质状态标记。结合公共数据库的ChIP-seq数据,发现大多数转录因子结合基序主要富集在由ATAC-seq数据所注释的染色质开放(open chromatin)区域。不同时间节点的染色质状态转变分析进一步表明,染色质开放区域的状态转换与细胞命运重塑密切相关,提示这些区域在再生过程基因表达调控中处于中心地位。

  研究人员对染色质可及性数据进行深入挖掘,发现高生长素浓度的CIM环境不仅能够诱导细胞多能性基因座位的染色质开放,而且还能促进芽命运决定基因座位的开放。通过比较细胞分裂素信号缺陷突变体arr与野生型的ATAC-seq数据,发现细胞分裂素信号不仅决定了SIM阶段芽祖细胞的形成,而且还在CIM阶段维持了芽属性基因处于一种染色质开放的准备状态。随后,综合顺式作用元件动态分析,转录因子活性预测以及时期特异开放区域的鉴定,研究人员挖掘到一系列可能在芽再生过程中发挥作用的转录因子。最后,通过突变体表型考察,发现BES1和JKD等参与调控芽再生的全新转录因子。综上,这些研究成果为我们理解植物细胞重编程以及细胞命运转变提供了全新的视角,还为提高植物芽再生效率提供了丰富的靶点。

  中国科学院分子植物科学卓越创新中心博士研究生吴连宇(上海科技大学联合培养生)和商冠东为论文第一作者,中科院分子植物科学卓越创新中心王佳伟研究员为通讯作者,王付祥博士、高健博士、硕博连读生万木春和徐洲更也参与了该研究工作。本研究得到国家自然科学基金委基础科学中心项目和中国科学院战略先导B项目的资助。芽再生发育过程的转录组、染色质可及性、组蛋白修饰以及染色质状态数据均可通过线上工具查询(http://wanglab.sippe.ac.cn/Arabidopsis_callus_and_shoot_regeneration/)。

  文章链接:https://doi.org/10.1016/j.devcel.2021.12.019