水稻三维基因组结构及其与表观遗传修饰的关系研究

The achievement of three-dimensional genome organization principle and their functions in transcriptional regulation has extended our knowledge on functional genomics, and widen our understanding of the relationship between 3D genome structure and epigenomic modifications in human and mouse. However, little information about this field is available in rice. Here, we propose to map high-resolution 3D genome structure in two different tissues in rice, by utilizing an efficient 3D genome mapping technology (Long-read ChIA-PET). We will generate three types of Long-read ChIA-PET data, including RNA polymerase II, H3K4me3 that marks active genes and H3K9me2 for transposon related elements marks. By combining these chromatin interactions data together, we will reveal comprehensive high-resolution rice 3D genome structure and their dynamics in two tissues as well as hierarchical transcriptional regulation. At the end, we will use a jmj703 mutant as a model to illustrate the 3D genome basis of altering epigenetic modifications, gene expression dynamics and mutant phenotype. The expecting results will provide alternative strategy for studying molecular mechanism of complex agricultural traits in rice and other crops.

三维基因组结构研究及其揭示的基因表达调控机理丰富了功能基因组的研究成果，促进了人和小鼠基因组结构及其与基因组表观修饰关系的认识。但是，在水稻中还未见相关研究。本项目拟利用本课题组建立的植物高效三维基因组研究方法Long-read ChIA-PET，构建水稻不同苗期幼叶和幼穗两个组织的RNA聚合酶II、活跃表达基因组蛋白修饰标记H3K4me3和转座子组蛋白修饰标记H3K9me2的高分辨率基因组三维互作图谱，解析水稻基因组三维结构的组织形式及其在不同发育时期的动态变化。系统地研究不同的表观修饰控制水稻基因组顺式元件或基因的三维互作机理。最后，通过一个水稻组蛋白修饰酶的突变体，研究该突变体中组蛋白甲基化修饰水平的变化影响三维基因组结构和基因表达变化的机制，建立三维基因组、基因组表观修饰、基因表达调控和突变表型四者之间的联系，进而阐明突变表型产生的三维基因组基础.

真核生物的线性基因组在细胞核内包装成一定的三维空间结构，在基因表达调控和个体发育等过程发挥重要功能。三维基因组结构高度依赖于一维线性基因组序列及其表观基因组修饰。本项建立了植物高效表观基因组研究新技术eChIP-seq，绘制了水稻等植物的参考表观基因组图谱，注释了全基因组染色质状态和顺式调控元件的表观修饰特征，鉴定了水稻大量具有增强子活性的启动子元件（enhancer-like promoters）。另外，我们也建立了植物高效三维基因组研究技术Long-read ChIA-PET，首次构建了水稻等植物的全基因组高分辨率三维基因组图谱，揭示了启动子–启动子和启动子–增强子的染色质环及染色质互作结构元等三维基因组结构单元特征及其参与基因协同转录调控的机理。最后，我们构建并上线了包含水稻等植物表观基因组的数据库RiceENCODE，可以方便地查询任意水稻基因组区段或者基因的表观修饰信息，包括DNA甲基化，多种组蛋白修饰，开放染色质区和转录水平等。在 Nature Communications（第2标注）和Molecular Plant（第1标注）等期刊发表标注了该项目的学术论文8篇。 这些成果对下一步深入开展水稻等植物表观基因组学和功能基因组学研究具有重要科学价值。