Die Chromatinstruktur höherer Ordnung ist eine Voraussetzung für die Funktion von cis-regulatorischen Elementen im Genom, die eine wichtige Rolle bei der Genregulation spielen. Bei Eukaryoten stellt die Organisation des dreidimensionalen (3D) Genoms ein hierarchisches Muster dar, in dem Chromatin in verschiedene strukturelle Domänen unterteilt werden kann, wie z. B. Chromosomengebiet, A/B-Kompartiment, topologisch assoziierte Domäne (TAD) und Chromatinschleife.
Es gibt viele Studien über die dynamischen Veränderungen des 3D-Genoms während der Embryonalentwicklung bei Säugetieren. Eingehende Studien zur genetischen Vielfalt des 3D-Genoms wurden jedoch bei Pflanzen, insbesondere bei höheren Pflanzen, nicht durchgeführt. Und die Beziehung zwischen genomischer Variation und genomischer 3D-Variation sowie die Auswirkungen der genomischen 3D-Variation auf die Domestizierung von Kulturpflanzen sind noch immer kaum verstanden.
Eine Forschungsgruppe unter der Leitung von Prof. Tian Zhixi vom Institut für Genetik und Entwicklungsbiologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat diese genetische Vielfalt untersucht und ein Pan-3D-Genom der Sojabohne konstruiert, das die internen Beziehungen zwischen Sojabohnengenom, 3D-Genom und Gen aufdeckt Ausdruck. Die Studie wurde veröffentlicht in Genombiologie.
Die Forscher erhielten qualitativ hochwertige 3D-Genomdaten, indem sie Chromatin-Konformationserfassungsexperimente mit hohem Durchsatz an 27 Sojabohnen-Keimplasmamaterialien durchführten, die in einer früheren Studie de novo zusammengesetzt wurden.
Um die Konservierung und Variabilität des 3D-Genoms zu untersuchen, führten sie eine pan-omische Analyse durch und konstruierten das pan-3D-Genom der Sojabohne. Den Forschern zufolge waren die A/B-Kompartimente bei Sojabohnen-Akzessionen im Allgemeinen konserviert, und die Variation der A/B-Kompartimente war eng mit genomischen Merkmalen verbunden. Darüber hinaus waren Regionen mit intermediären genomischen Merkmalen die Hauptregion des A/B-Kompartimentwechsels.
TAD-Grenzen definieren den Bereich der Wechselwirkungen von TADs. In vielen Fällen repräsentiert die Variation der TAD-Grenzen eine Änderung der Genregulation. Die Forscher konstruierten auch ein pan-3D-Genom von TAD-Grenzen. Das Pan-3D-Genom zeigte, dass TAD-Grenzen einen höheren Variationsgrad aufwiesen als A/B-Kompartimente. Eine weitere Analyse ergab, dass Nicht-LTR-Retrotransposons (LINE und SINE) um die TAD-Grenzen herum angereichert waren, was darauf hindeutet, dass diese beiden Arten von Elementen wichtige Funktionen bei der Aufrechterhaltung der TAD-Grenzen haben.
Darüber hinaus wurden Gypsy-Elemente und Satellitenwiederholungen um akzessionsspezifische TAD-Grenzen angereichert, was darauf hinweist, dass diese Elemente eine einzigartige Rolle bei der Bildung spezifischer TAD-Grenzen spielen. Diese Ergebnisse erklären, wie Superfamilien transponierbarer Elemente (TE) das 3D-Genom in Pflanzen zum ersten Mal umformen.
Genomische strukturelle Variationen (SVs) sind die Hauptquelle genetischer Variation. Aufgrund des Mangels an qualitativ hochwertigen SV-Daten wurde die Beziehung zwischen genomischer 3D-Variation und genomischer SV bei Pflanzen nicht untersucht. Die Forscher untersuchten weiter die Beziehung zwischen genomischem SV und genomischer 3D-Variation basierend auf qualitativ hochwertigen SV-Daten aus der De-novo-Genomassemblierung. Die Forschung zeigte, dass Präsenz- und Abwesenheitsvariation (PAV) die wichtigste Rolle bei der genomischen 3D-Variation spielt. Weitere Analysen zeigten, dass der Gehalt an Gypsy-Elementen und Satellitenwiederholungen in den SVs, die die akzessionsspezifischen TAD-Grenzen bildeten, signifikant erhöht war.
Diese Ergebnisse bestätigten, dass TEs die Evolution des 3D-Genoms umgestalten können, indem sie SVs antreiben. Um die Beziehung zwischen 3D-Genomdiversität und Genexpression zu untersuchen, verifizierten sie die Korrelation zwischen 3D-Genom und Genexpression auf mehreren Ebenen.
Darüber hinaus untersuchten sie auch den Selektionsprozess des 3D-Genoms in Wildsojabohnen, Landrassen und Sorten während der Domestikation und Verbesserung. Sie fanden heraus, dass die Selektion des 3D-Genoms hauptsächlich während der Domestizierung und nicht während der Verbesserung erfolgte. Diese Selektion veränderte die Genregulation und führte zu Veränderungen in der Sojabohnen-Genexpression.
„Diese Arbeit untersucht die genetische Diversität des 3D-Genoms unter pflanzlichem Keimplasma durch Pan-3D-Genomkonstruktion, zeigt die Rolle von Pflanzen-TEs bei der Umgestaltung des 3D-Genoms, analysiert die 3D-Genomvariation, die durch genomische SVs verursacht wird, sowie die Selektion und die nachfolgenden funktionellen Auswirkungen von 3D Genom während der Domestikation von Nutzpflanzen. Diese Studien bieten einen neuen Weg, um die Evolution des Pflanzengenoms zu verstehen, und liefern auch wertvolle Ressourcen für die Molekulardesignzüchtung“, sagte Tian Zhixi, Gruppenleiter und korrespondierender Autor der Studie.
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Lingbin Ni et al., Pan-3D-Genomanalyse zeigt strukturelle und funktionelle Differenzierung von Sojabohnengenomen, Genombiologie (2023). DOI: 10.1186/s13059-023-02854-8