棉花纤维发育过程中动态三维基因组图谱的构建和转录调控分析

Chromatin is organized into higher-order structures in nucleus, which can directly regulate gene expression. Distal regulatory elements, such as enhancers, can be close to gene regions and involve in gene transcription, and affect many living activities in eukaryotes. Cotton represents one of the most important sources of natural fibers for textiles. Cotton fiber development consists of four overlapping stages, including fiber initiation, fiber elongation, secondary cell wall synthesis and maturation. Our previous study showed that cotton fiber development was accompanied by gradual transition of euchromatin to heterochromatin and the increasing level of DNA methylation, especially for the CHH (where H=A, C or T) methylation. However, the dynamic 3D genome structure and its effect on gene transcription remain unclear. Here, we anticipate to construct the dynamic 3D genome architecture of fiber development for Gossypium hirsutum and Gossypium barbadense, and explore the following questions: 1) How the higher-order chromatin structures change during fiber development and whether such changes in G. hirsutum are consistent with those in G. barbadense; 2) Whether the changes of chromatin structure in both cotton species are associated with fiber quality-related traits. 3) How those important genes in fiber development are regulated by distal regulatory elements such as enhancers, and whether these enhancers keep active in the whole developmental process. This study establishes the 3D genome architecture for cotton, and will promote functional genomics studies in fibers. This study will be a useful reference for exploring the mechanism of transcription regulation of single-cell differentiation in plants.

染色质位于细胞核的三维结构中，这种空间结构能直接调控基因的表达。远距离的调控元件，比如增强子，在三维空间靠近基因区域，参与到基因的转录调控中。棉花是重要的天然纺织纤维来源之一。已有研究表明，随着棉花纤维发育，纤维细胞的异染色质程度逐渐加深，但是这个过程中纤维细胞的三维基因组动态及其对基因表达的调控仍不清楚。本研究期望通过构建陆地棉和海岛棉纤维发育的动态三维基因组图谱，研究如下问题：1) 染色质高级结构随着纤维发育如何改变，这种改变在陆地棉和海岛棉中是否一致；2) 陆地棉和海岛棉纤维发育不同时期染色质高级结构的改变是否与纤维品质的形成相关；3) 控制纤维发育的重要功能基因是否受到DNA序列上远距离调控元件的调控作用，这些调控元件在不同发育时期是否一直保持着活性状态。本研究建立了棉花纤维的三维基因组图谱，推动着后续棉花纤维的功能基因组研究，同时为研究植物单细胞分化过程中基因的转录调控提供参考。

棉纤维是由棉花胚珠表皮细胞发育而来的单细胞毛状体，在整个发育过程中经历四个重叠的发育时期：纤维起始期、纤维伸长期、次生壁加厚期和脱水成熟期。纤维发育受到多个生物学途径的调控，同时伴随着染色质状态的改变。DNA甲基化与在纤维发育过程中起到重要作用，通过在整个植物界中探索甲基化相关基因的起源和进化，我们希望在未来通过对甲基化相关基因进行改良来进一步改良棉花纤维。随着三维基因组的发展，我们发现，不仅基因表达量的变化和表观变化（DNA甲基化、组蛋白修饰）会影响纤维发育，染色质的三维结构也有可能影响纤维的发育。通过对纤维发育各阶段染色质的空间结构进行研究，我们绘制了染色质空间结构改变引起的基因动态调控图谱，对后续棉花功能基因组研究具有重要推动作用。结构变异(SV)被认为在转录调控中发挥了重要作用，对棉纤维发育也起到了重要作用。通过探究四倍体棉花和二倍体棉花中广泛SV引起的三维基因组结构的变化，促进了我们对植物三维基因组组织和基因表达调控的理解。基于这些研究，在Genome Biology、New Phytologist等杂志发表论文4篇（第一资助）；在项目的资助期间，主持人获得了NSFC优秀青年科学基金和面上项目（2019年、2021年）、“十四五”国家重点研发计划青年科学家项目（2021年）等资助，获得中国作物学会科学技术成就奖青年奖、中国农学会青年科技奖、全国作物学科青年学者论坛特等奖和湖北省自然科学一等奖等奖励或荣誉。