揭秘辣椒表观基因组：解锁调控奥秘，助力作物改良新征程

辣椒（Capsicum annuum）是全球重要蔬菜作物，其基因组复杂阻碍了功能基因组的研究。研究人员对辣椒进行表观基因组分析，鉴定出顺式调控元件（CREs），揭示其在发育、胁迫响应中的作用。该研究为辣椒基因调控和遗传改良提供了重要基础。

　　在蔬菜的大家族里，辣椒可是相当独特的存在。它不仅是人们餐桌上常见的食材，为各种美食增添独特风味，还在医药、天然色素以及防御驱虫剂等领域发挥着重要作用。然而，辣椒那庞大又复杂的基因组，就像一座难以攀登的高峰，阻碍着科学家们对其功能基因组的深入了解。尽管如此，这复杂的基因组也暗示着辣椒中存在着丰富却尚未被探索的调控元件（REs）宝库。要知道，REs 的变化在动植物的进化和驯化过程中可是起着关键的推动作用。但目前，准确识别这些 REs，尤其是在像辣椒这样基因组复杂的植物中，仍然是一项极具挑战性的任务。

为了攻克这一难题，来自北京大学、湖南农业大学、四川大学生命科学学院等国内多个研究机构的研究人员 [1]，在《Genome Biology》上发表了一项重要研究成果。他们对辣椒（Capsicum annuum）品种张书刚（ST - 8）展开了全面深入的研究，致力于揭开辣椒表观基因组的神秘面纱。

研究人员在此次研究中，运用了多种关键技术方法。首先，通过染色质转座酶可及性测序（ATAC - seq）来揭示染色质可及性；利用全基因组亚硫酸氢盐测序（WGBS）在单核苷酸分辨率下检测 DNA 甲基化；借助染色质免疫沉淀测序（ChIP - seq）来探测组蛋白标记的分布；还采用了比较交联免疫沉淀质谱法（XLIPMS）来揭示与特定染色质特征相关的蛋白质组。同时，对多个组织进行转录组测序（RNA - seq），以分析基因表达情况。此外，研究还涉及群体遗传学分析，采用了 500 份涵盖 7 个物种的基因组序列数据。

下面让我们来详细了解一下研究结果：

• 辣椒叶片的表观基因组分析：研究人员对辣椒叶片进行了全面的表观基因组分析，结果发现 DNA 甲基化、组蛋白修饰等染色质特征在基因组上呈现出特定的分布模式。例如，DNA 甲基化和 H₃K9me₂高度集中在富含转座子（TEs）的着丝粒周围区域，而 H₃K27me₃则在基因密集的常染色质臂中富集。同时，还发现了辣椒中存在 mCHH 岛，不过研究表明，mCHH 岛在正常生长条件下可能并不直接调节蛋白编码基因（PCG）的表达12。
• 辣椒 CREs 的表观遗传特征：研究人员利用多元隐马尔可夫模型（HMM），根据组合的表观遗传特征将基因组分为 15 种染色质状态。其中，状态 1 主要代表活跃的启动子，其具有开放染色质、H₃K27ac 和 H₃K4me₃富集等特征；状态 4 和状态 10 则被认为是潜在的增强子，它们大多位于远端基因间区域，染色质可及性较高，但 H₃K27ac 水平存在差异。此外，研究还发现 H₃K4me₁可能标记着辣椒中潜在的预备增强子34。
• 鉴定和表征辣椒中的活性 CREs：研究人员系统地鉴定了辣椒中的活性调控元件，包括启动子和增强子。通过荧光素酶报告基因实验验证了部分启动子和增强子的功能，发现启动子的活性与染色质可及性、H₃K27ac 和 H₃K4me₃密切相关，而增强子的活性与这些染色质特征的关联则相对较弱56。
• 鉴定活性启动子相关的蛋白质组：通过 XLIPMS 技术，研究人员鉴定出了与特定染色质环境相关的蛋白质，包括转录因子和染色质修饰蛋白等。这些蛋白质可能在基因表达调控中发挥着重要作用，为进一步理解基因调控机制提供了线索78。
• 鉴定组织特异性 CREs：研究人员在不同组织中鉴定出了组织特异性的 CREs，发现这些 CREs 的活性在不同组织中存在差异。例如，叶片特异性的 CREs 主要与光合作用和能量生成相关，而芽、茎和根特异性的 CREs 则受到 H₃K27me₃的调控。此外，还鉴定出了在所有组织中相对均一活跃的非特异性 CREs，其靶基因主要参与看家功能910。
• 鉴定热胁迫响应的 CREs：面对热胁迫对辣椒生长发育的严重影响，研究人员对热胁迫响应的 CREs 进行了鉴定。发现热诱导的启动子主要调控与蛋白质折叠、异染色质形成等过程相关的基因，同时还涉及 RNA 介导的 DNA 甲基化（RdDM）通路。此外，通过转录因子足迹分析，发现 WRKY 转录因子在热胁迫下对转录的抑制中发挥着关键作用，并构建了热激活的调控网络1112。
• 鉴定 CMV 响应的 CREs：针对黄瓜花叶病毒（CMV）对辣椒生产造成的严重威胁，研究人员对 CMV 响应的 CREs 进行了分析。通过比较 CMV 敏感品种 ST - 8 和抗性品种 PBC688，鉴定出了 CMV 响应的 CREs 和转录因子，并构建了潜在的 CMV 激活转录网络。此外，还在 PBC688 的两个抗性相关基因组区域中鉴定出了可能与 CMV 抗性相关的基因组变异1314。
• 热胁迫和 CMV 胁迫的相互作用：研究人员对热胁迫和 CMV 胁迫响应的 CREs 进行比较，发现许多基因同时受到这两种胁迫的影响。GO 分析表明，热胁迫可能会刺激辣椒对真菌的抗性，同时两种胁迫都会导致一些代谢途径相关基因的表达受到抑制1516。
• CREs 的多样性：研究人员通过群体遗传学分析，发现非特异性 CREs 在进化过程中积累的单核苷酸多态性（SNPs）比基因组背景更少，这表明 CREs 可能是进化和驯化过程中的选择目标。此外，热胁迫响应的 CREs 与非特异性 CREs 表现出相似的模式，但 CMV 响应的增强子在核苷酸多样性上没有显著变化1718。

在讨论部分，研究人员对 mCHH 岛的功能提出了新的见解，认为它可能是由非经典 RdDM 途径介导的，用于维持 TE 沉默。同时，通过分析 H₃K4me₁的分布，发现基因注释可能存在不准确的情况，而整合表观遗传特征有助于更准确地注释功能基因组。此外，研究人员还对辣椒中潜在的预备增强子进行了讨论，认为这一发现为进一步研究基因调控提供了新的方向。

总的来说，这项研究系统地分析了辣椒的表观基因组，鉴定出了一系列与发育、胁迫响应相关的 CREs，揭示了它们的调控机制和功能。这不仅为深入理解辣椒基因调控的分子机制奠定了坚实基础，还为辣椒的遗传改良提供了极具价值的靶点和理论依据，有望助力培育出更具优良性状的辣椒品种，在农业生产领域具有重要的应用前景。