基因组与表观基因组协同调控维持甘蓝型油菜异源四倍体亚基因组转录平衡的机制研究

本研究针对异源多倍体植物如何协调不同祖先基因组以维持稳定性的科学问题，通过构建甘蓝型油菜及其二倍体祖先的高分辨率表观基因组图谱，揭示了基因组与表观基因组协同收敛的新机制。研究发现亚基因组间通过序列特征和表观修饰的趋同化重构显著降低了同源基因表达分歧，其中调控元件的非对称创新尤其促进了环境适应性。该研究为多倍体作物基因组进化提供了重要理论依据，对作物遗传改良具有指导意义。

　　

在植物进化历程中，异源多倍化通过种间杂交和全基因组加倍将分化基因组融合，形成更复杂的遗传架构。这种"基因组冲击"不仅引发大规模染色体重组，还导致广泛的表观基因组重编程，包括组蛋白修饰改变和染色质可及性区域变化。然而，异源四倍体中亚基因组间表达平衡与底层基因组、表观基因组重构的关系仍不清楚。甘蓝型油菜（Brassica napus）作为经典异源四倍体模型（2n=4x=38, AnAnCnCn），由白菜（Brassica rapa, 2n=2x=20, ArAr）和甘蓝（Brassica oleracea, 2n=2x=18, CoCo）自然杂交后经全基因组加倍形成，为研究多倍体调控机制提供了理想体系。

为解析这一科学问题，研究人员构建了二倍体祖先和四倍体的高分辨率表观基因组图谱，整合了染色质免疫沉淀测序（ChIP-seq）、染色质可及性测序（ATAC-seq）、全基因组甲基化测序（BS-seq）和转录组测序（RNA-seq）数据。通过对14,748个严格筛选的同源四重基因进行系统比较，发现甘蓝型油菜通过基因组与表观基因组的协同趋同，驱动An和Cn亚基因组间序列和表观特征收敛，显著降低同源基因表达分歧。研究还揭示了顺式调控元件的趋同进化，其中An亚基因组获得新的转录因子结合位点（TFBSs），与增强的环境适应性相关。

关键技术方法包括：对甘蓝型油菜品种ZS11和2063A及其二倍体祖先进行多组学数据采集；利用ChromHMM进行染色质状态分析；通过OrthoFinder和MCScan鉴定同源四重基因；采用HOMER进行转录因子结合 motif 分析；运用LASTZ进行序列比对和保守性评估。样本来源为两周龄水培幼苗叶片。

Asymmetric epigenomic reprogramming of An and Cn in B. napus

研究发现甘蓝型油菜亚基因组相对于二倍体祖先经历了显著非对称表观基因组重编程。An中亚基因组H3K4me3标记基因减少8.0%，而Cn中减少12.6%；相反，抑制性标记H3K27me3在An和Cn中分别增加6.5%和5.5%。染色质可及性区域关联基因比例在An和Cn中均增加约6.4%。功能分析显示An的表观创新富集于核心代谢过程和胁迫响应通路，而Cn的变化主要与膜运输和细胞骨架组织相关。

Chromatin state remodeling reduces transcriptional divergence between An and Cn

通过将同源基因对分为三类（表观特征与序列均保守、仅表观特征分化、两者均分化），发现表观和序列双保守的基因对表达分歧最小。四倍体中An和Cn表达水平相对于二倍体祖先显著降低，且亚基因组间表达相似性提高，表明转录活性趋于收敛。表观重塑特别是启动子组蛋白修饰和染色质可及性改变，有助于调节甘蓝型油菜同源基因表达分歧。

Epigenomic convergence between subgenomes facilitates adaptation in B. napus

系统比较显示四倍体An与Cn间表观特征保守比例显著高于二倍体祖先。发现两种趋同模式：表观趋同（二倍体中分化但在四倍体中保守）和序列趋同（二倍体中不保守但在四倍体中保守）。表观趋同基因富集于基因组稳定性、胁迫响应和翻译后修饰途径，而序列趋同基因主要参与核心代谢过程和转录调控。

Cis-regulatory convergence reflects asymmetric genomic variation in B. napus

顺式调控元件分析发现甘蓝型油菜中鉴定到188,179个TFBSs，远超二倍体祖先。An获得新的胁迫响应TF结合 motif 如ANAC005和ERF4/ERF9。启动子区基因组变异分析显示An具有更多结构变异（SVs）、插入缺失（InDels）和单核苷酸变异（SNVs），且变异长度与TFBS保守性呈负相关。

研究结论表明，甘蓝型油菜通过"基因组与表观基因组协同趋同"框架缓解亚基因组间调控不相容性，建立稳定转录调控平衡。这种非对称趋同模式源于祖先基因组异质性：A基因组祖先具有串联重复基因扩展簇，贡献调控冗余和适应灵活性；C基因组祖先保留必需代谢途径的保守单拷贝基因网络。讨论部分强调，与棉花依靠转座子介导染色质重塑实现同源表达平衡不同，甘蓝型油菜采用顺式调控元件的双重趋同，这种物种特异性策略可能与基因组架构和多倍化历史差异相关。该研究为多倍体作物基因组建构与驯化改良提供了重要理论依据，对通过表观基因组编辑提升作物环境适应性具有指导意义。