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为解析顺式调控元件（CREs）在作物中的空间组织机制，研究人员开发 TAC-C 技术（整合 ATAC-seq 与 Hi-C），在水稻、小麦等作物中揭示染色质互作与基因表达关联，发现 TaSPL7/15 通过染色质互作调控光合作用相关基因。该研究为作物基因组调控研究提供新工具与思路。
在生命科学领域，作物基因组的三维空间组织机制一直是困扰研究者的重要课题。顺式调控元件（CREs）作为基因表达的关键调控因子，其如何通过空间互作精准调控基因表达以应对发育和环境响应，在作物中仍知之甚少。传统技术如 ATAC-seq 虽能识别开放染色质区域（ACRs），却无法捕捉其空间组织；Hi-C 等技术虽可揭示染色质结构，却难以聚焦开放染色质的特异性互作。尤其是在小麦等基因组庞大的多倍体作物中，亚基因组间的表达偏倚机制、远距调控元件的作用路径等问题亟待解决。在此背景下，开发一种能够高精度捕捉开放染色质互作的技术，成为解码作物基因组空间调控网络的关键。
为攻克上述难题，研究人员开展了一系列研究。论文发表在《SCIENCE ADVANCES》。
研究人员开发的核心技术为 TAC-C（转座酶可及染色质构象捕获技术），该技术创新性地整合了 ATAC-seq（转座酶可及染色质测序）与 Hi-C（染色体构象捕获测序）。具体流程包括：通过甲醛固定植物组织，提取高质量细胞核，采用 Dpn II 限制性内切酶进行原位消化，结合生物素标记和邻近连接，再经转座酶标记完成 ATAC-seq 流程，最终通过链霉亲和素磁珠富集互作片段并构建文库。除 TAC-C 外，研究还运用了 RNA 测序（RNA-seq）、DNA 亲和纯化测序（DAP-seq）、荧光素酶报告基因实验、透射电镜观察等技术，以验证基因表达变化、转录因子结合位点及表型变异的分子机制。
TAC-C 高效捕获精细染色质互作
研究首先验证了 TAC-C 技术的有效性。在小麦中，TAC-C 数据展现出高度的生物学重复一致性，其互作图谱沿染色体主对角线和反对角线呈现强信号，与 Hi-C 数据一致，表明其能有效捕获基因组高阶结构。与 ATAC-seq 和 OCEAN-C 相比，TAC-C 在相同测序深度下检测到更多峰值，且与 ATAC-seq 重叠率达 78.5%，显著高于 OCEAN-C 的 46.6%。TAC-C 鉴定出的顺式调控元件（CREs）分为基因体（gCREs，36.7%）、启动子（pCREs，33.7%）和远端（dCREs，29.6%）三类，其信号在转录起始位点（TSS）高度富集，且与活性组蛋白修饰（H3K4me3、H3K9ac、H3K27ac）高度关联，表明其主要定位在活跃调控区域。与 OCEAN-C 和 Hi-C 相比，TAC-C 检测到更高比例的近端 - 近端互作（PPIs，55.5%）和更短的环跨度，显示出其在捕捉精细互作中的优势。
四种作物染色质互作的保守特征
研究进一步在水稻、高粱、玉米和小麦中应用 TAC-C，发现基因组较大的作物（如玉米、小麦）具有更长的开放染色质互作跨度和更高比例的近端 - 远端互作（PDIs）及远端 - 远端互作（DDIs）。染色质互作频率与基因表达水平呈正相关，互作频率高的基因（L4 组）表达水平显著高于低互作组（L1 组）。研究定义了 “枢纽锚点”（hub anchors）和 “连接锚点”（connecting anchors），枢纽锚点对应的枢纽基因（node genes）具有更低的单核苷酸多态性（SNP）密度、更高的表达水平及跨物种保守性，表明其在进化中承担关键功能。
染色质互作将调控元件与表型变异关联
通过整合数量性状位点（QTLs）、表达数量性状位点（eQTLs）和育种选择扫描（SSs）数据，发现枢纽锚点与这些功能区域重叠率最高，且与枢纽锚点关联的 QTLs 具有更强的 GWAS 信号，eQTLs 的效应值更大。例如，小麦中位于 5A 染色体的 eQTL（Chr5A_645725）通过染色质环与叶片宽度调控基因 TaNAL1-like-5A 互作，荧光素酶报告实验证实该远端区域具有增强子功能，不同单倍型在自然群体中表现出显著的叶面积差异，揭示了远距调控元件通过染色质互作影响表型的分子机制。
亚基因组间不对称染色质互作与同源基因表达偏倚
在小麦的 A、B、D 亚基因组中，D 亚基因组的染色质互作数量显著多于 A 和 B 亚基因组。亚基因组特异性互作锚点的转座子（TE）覆盖度更高，且互作强度与组蛋白激活标记（H3K36me3、H3K9ac）正相关。缺失互作的同源基因表达水平显著降低，表明染色质互作的不对称性通过表观遗传修饰差异驱动同源基因表达偏倚。例如，在 1 号染色体的同源基因三联体中，B 和 D 亚基因组的基因因保留互作而高表达，而 A 亚基因组的同源基因因失去互作而表达被抑制。
SBP 和 ERF 家族转录因子调控染色质互作网络
通过转录因子（TF）结合基序富集分析，发现 SBP（SQUAMOSA 启动子结合蛋白）和 ERF（乙烯响应因子）家族 TF 的结合位点在枢纽锚点中显著富集，且其介导的互作环强度更高。SBP 结合的枢纽锚点更多位于功能调控区域，且每个锚点关联的靶基因数量更多。在 TaSPL7/15 双突变体（Taspl7&15）中，48% 的差异表达基因（DEGs）与 SBP 介导的染色质环相关，这些基因富集于光合作用、淀粉代谢和叶片发育通路。例如，TaCKX11-B 的 57 kb 上游互作环在突变体中丢失，导致其表达下调，进而促进叶片生长和光合效率提升。
研究结论与讨论
本研究开发的 TAC-C 技术为作物三维基因组研究提供了高效工具，其结合 ATAC-seq 与 Hi-C 的特性，既能捕捉开放染色质的空间互作，又降低了对高测序深度的依赖，尤其适用于小麦等大基因组作物。研究揭示了染色质互作在作物进化保守性、表型变异和亚基因组调控中的关键作用，特别是 SPL 家族转录因子通过染色质环调控光合作用的机制，为作物光合效率改良提供了新靶点。此外，亚基因组间互作不对称性与转座子插入、序列变异的关联，为多倍体作物的进化研究提供了新视角。未来，TAC-C 技术有望进一步应用于更多作物，推动精准育种中基因组空间调控信息的挖掘与利用。
