核桃仁发育过程中转录组与染色质可及性动态整合分析揭示油脂积累的调控机制

为解决核桃油脂积累分子机制不明的问题，研究人员通过整合PacBio SMRT测序、RNA-seq和ATAC-seq技术，系统分析了核桃仁五个发育阶段的转录组和染色质可及性动态，鉴定出221个油脂合成相关基因和23个核心转录因子，并证实AP2家族成员JrERF93通过激活JrACC/CTα-5表达显著提高种子含油量，为核桃品质改良提供了新靶点。

　　

核桃作为重要的经济树种，其种仁富含多不饱和脂肪酸，尤其亚油酸（ω-6）和亚麻酸（ω-3）含量超过70%，对人体心血管健康具有特殊价值。然而，核桃油脂合成的分子调控网络尚未完全解析，这限制了高油品种的选育进程。传统研究多依赖短读长测序技术，难以准确获取全长转录本信息；同时，高油脂组织特有的生化特性使得染色质可及性研究面临技术瓶颈。

山东农业大学的研究团队在《Industrial Crops and Products》发表的研究中，创新性地结合PacBio单分子实时(SMRT)测序、Illumina RNA-seq和ATAC-seq技术，对'鲁果6号'核桃品种五个关键发育阶段（90-150天授粉后）的种仁进行多组学分析。通过构建首个核桃仁全长转录组，鉴定了37,259个已知基因和7,048个新基因，并采用染色质可及性测序揭示了油脂合成相关基因的表观调控特征。

关键技术包括：1) 基于PacBio Sequel II平台构建全长转录组；2) 采用ATAC-seq解析染色质开放区域；3) 整合WGCNA共表达网络与motif分析预测调控关系；4) 通过酵母单杂交(Y1H)和双荧光素酶验证转录因子结合活性；5) 在拟南芥中过表达候选基因验证功能。

研究结果部分：
3.1 核桃仁发育过程中的油脂积累动态
测定五个发育阶段（S1-S5）的油脂含量从27.2%增至52.8%，其中不饱和脂肪酸占比超85%，亚油酸（64%）和亚麻酸（7%）为主要成分，为后续研究提供标准样本队列。

3.2 基于全长转录组的油脂合成基因重注释
新发现221个油脂相关基因，包括120个脂肪酸合成基因（如JrACC/CTα-3、JrSAD-2）、86个TAG组装基因（如JrDGAT2-2）和15个油体形成基因（如JrOleosins），首次在JrMAT-3等基因中发现可变剪接事件。

3.3 染色质可及性动态特征
获得235,657个开放染色质区域，30,020个差异可及峰(DPs)被划分为6个动态模式簇，在启动子区富集bZIP、ARF等转录因子结合 motif，揭示表观调控的阶段性特征。

3.4 染色质开放与基因表达的协同调控
发现10个油脂基因（如JrACC/CTα-5、JrLACS-5）的启动子可及性与表达量呈正相关，首次建立核桃油脂合成的"染色质开放-基因激活"关联模型。

3.5 核心转录因子鉴定
WGCNA分析锁定23个枢纽TF，包括9个正向调控因子（AP2/bZIP家族）和14个负向调控因子（bHLH/MADS-box家族），其中AP2家族成员与ACC酶基因启动子区的ERF motif高度匹配。

3.6 JrERF93的功能验证
亚细胞定位显示JrERF93为核蛋白，Y1H和双荧光素酶实验证实其通过结合JrACC/CTα-5启动子（PeakID_36003）激活表达，共表达系数达0.85。

3.7 转基因拟南芥表型分析
过表达JrERF93使种子含油量显著提升，且改变脂肪酸组成，证实其具有类似WRI1的调控功能，但未影响种子形态。

该研究首次绘制了核桃油脂合成的多维度调控图谱，提出"染色质开放-TF招募-基因激活"的级联调控模型。特别值得注意的是，JrERF93的发现为木本植物油脂调控提供了新认知，其通过激活乙酰辅酶A羧化酶(ACCase)限速步骤促进油脂合成，这一机制不同于已报道的WRI1作用靶点。研究建立的染色质可及性分析方法为高油脂组织表观研究提供了技术范本，鉴定的AP2家族调控网络可作为分子设计育种的靶标库。未来通过编辑这些枢纽TF，有望实现核桃油脂含量与组成的精准调控，对坚果作物品质改良具有重要指导意义。