DAP-seq技術在酸棗全基因組復制對酸棗耐旱性的調節作用研究中的應用

全基因組復制對生物體的影響是多方面的。全基因組加倍后，基因劑量效應、修飾的互作調控、快速遺傳和表觀遺傳的修飾和變化，都會對基因組產生強烈影響，進而影響基因表達，最終導致形態、生理和適應性等性狀方面的差異。在同源多倍化后，轉錄因子的靶基因數量、功能和表達又是如何協調以平衡這種劑量差異的呢？研究多倍體轉錄因子的靶基因及其表達模式，不僅可以揭示同源多倍體變異的進化模式，還可以為相應的分子調控網絡提供新的思路。

2022年2月，北京林業大學生物科學與技術學院林木育種國家工程實驗室的研究成果，發表在Frontiers in Plant Science期刊上(影響因子6.627)，文章題目為“Genome-Wide Identification of Direct Targets of ZjVND7 Reveals the Putative Roles of Whole-Genome Duplication in Sour Jujube in Regulating Xylem Vessel Differentiation and Drought Tolerance”。該研究使用DNA親和純化測序(DAP-seq)技術分別鑒定了二倍體酸棗和同源四倍體酸棗中ZjVND7的結合基序和靶基因。揭示了ZjVND7在調節木質部導管分化和耐旱性中的潛在分子機制，為培育耐旱性植物提供了新的思路。

同源四倍體酸棗比二倍體酸棗表現出更好的耐旱性。然而，二倍體和同源四倍體之間水分運輸系統的差異及其機制仍不清楚。

本研究發現同源四倍體酸棗中木質部導管和薄壁細胞的數量增加，是二倍體酸棗的近兩倍，這可能與木質部導管分化相關調節的NAC家族轉錄因子ZjVND7的表達差異密切相關。

圖1. 二倍體和同源四倍體酸棗的木質部差異及ZjVND7的表達水平和系統發育。

（注：D-二倍體；T-同源四倍體）

采用DAP-seq技術對干旱脅迫下二倍體和同源四倍體酸棗中ZjVND7的靶基因進行了全基因組研究，鑒定了二倍體和同源四倍體酸棗之間結合基序的差異。ZjVND7的結合基序分為五種類型，且在二倍體和同源四倍體中的結合基序是不同的。然而，二倍體和同源四倍體酸棗中的結合基序都有一個連續的核心序列，CTTNAAG，該序列經Tamura等人(2019)報道是保守的。

圖2. 二倍體和同源四倍體酸棗中ZjVND7結合峰的全基因組分布和結合基序。

圖3. 二倍體和同源四倍體酸棗中ZjVND7的結合基序。

在二倍體和同源四倍體中分別篩選到236和321個ZjVND7的靶基因，并對這些靶基因進行功能富集分析。與二倍體相比，同源四倍體中更多的ZjVND7靶基因可能參與干旱條件下細胞生長和脅迫信號相關的途徑，包括：木質部發育、次生壁合成、細胞死亡、細胞分裂和 DNA內復制。

圖4. ZjVND7靶基因的差異表達水平及其富集信號途徑。

隨后，鑒定了與細胞分裂和DNA復制相關，且為ZjVND7靶基因的ZjSMR1。SMR1在增殖細胞和分化細胞中發揮著不同的作用。ZjVND7和ZjSMR1均在細胞核中表達。酵母單雜交實驗進一步證明了ZjSMR1是ZjVND7的靶基因。在干旱脅迫下，ZjSMR1在兩種倍性類型的酸棗中均表達下降，且在同源四倍體中下降更顯著，這與ZjVND7的表達趨勢一致。這些結果表明，ZjSMR1是ZjVND7的直接靶基因，且ZjVND7對ZjSMR1的正向調控可能在同源四倍體的干旱脅迫響應中發揮重要作用。此外，對二倍體進行ABA處理后測定ZjSMR1和ZjVND7的表達水平，發現ZjSMR1和ZjVND7均對ABA處理有反應。

圖5. 多倍體中ZjVND7調節酸棗木質部導管分化和耐旱性的調控機制假說。

該研究提出一種可能的調控機制：靶向ZjSMR1的ZjVND7可能調節從薄壁細胞到木質部導管的轉分化。這一結果可能支持了木質部薄壁細胞分裂和細胞分化之間的平衡作用，從而通過木質部薄壁組織的分裂和擴大來促進導管分化。因此，與二倍體相比，同源四倍體中形成了更多的薄壁細胞，和更多的導管細胞分化以介導水分運輸。此外，ZjVND7可能通過調節ZjSMR1的表達，延長細胞周期并調節內復制以響應干旱脅迫和ABA，這在多倍體中的作用可能更強。

論文鏈接：https://doi.org/10.3389/fpls.2022.829765

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