aBIOTECH | 朱方捷/吕培涛综述顺式元件组的鉴定及在园艺作物中的应用

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目前，已有超2000种植物基因组得到解析，如何解读、破译测序获得的基因组密码，是后基因组时代的重要任务。不直接编码蛋白质的基因组“暗物质”区域——非编码区中分布着大量可结合转录因子的功能位点，即顺式调控元件（Cis-regulatory elements, CREs）。所有顺式元件形成顺式元件组（Cistrome），其与转录因子（Transcription factor, TF）的互作，调控着基因的定时、定点、定量表达。因此，系统鉴定顺式元件组，不仅有助于注释非编码基因组功能片段、解析转录调控网络，同时也可为作物种质创新提供重要育种靶点。

近日，福建农林大学朱方捷课题组与中国热带农业科学院吕培涛课题组在aBIOTECH 发表了题为“Cis-regulatory elements: systematic identification and horticultural applications”的综述论文。文章首先总结了高通量鉴定顺式元件组的四类主要方法，介绍了现有顺式元件数据库；随后深入探讨了园艺作物中已鉴定的CREs如何调控重要农艺性状，并展望了CREs在作物育种中的应用前景。

鉴定顺式元件组的现有高通量方法主要基于以下四类原理：

(1) 鉴定转录因子结合位点。CRE的本质是转录因子结合位点，高通量解析转录因子结合位点是实现CRE高分辨率鉴定的直接手段。此类方法既可采用基因组DNA作为起始文库（Input）以定位基因组TF靶点（图1A，如DAP-seq、ChIP-seq、CUT & Tag），也可采用随机DNA作为起始文库以准确测定TF的序列特异性（图1B，如PBM、SELEX）。

(2) 鉴定相关表观遗传标记。染色质开放区间及部分组蛋白修饰（如H3K4me3）通常与CREs共定位，因此，鉴定相关表观遗传特征，可实现全基因组范围的顺式元件组鉴定（图1C，如组蛋白ChIP-seq、DNase-seq、ATAC-seq）。此外，近年来发展迅速的三维基因组学技术也可用于探究增强子CREs与其靶基因间的对应关系（图1D，如Hi-C、ChIA-PET、HiChIP）。

(3) 基于序列活性的鉴定。顺式元件组可与TFs互作并调节转录，因此，通过高通量筛选可结合TFs的DNA序列（图1E，如ATI、Sea-ATI），或高通量筛选可激活转录的DNA序列（图1F，如MPRA、STARR-seq），均可实现活性顺式元件组的高置信度鉴定。

(4) 基于基因组学的鉴定。因顺式元件组具有生理功能，进化上受到弱纯化选择，具有一定保守性，从而可通过比较基因组学分析鉴定（图1G，如采用GERP、CoMoVa软件进行分析）。此外，群体基因组学方法（图1H，如GWAS、Cis-eQTL分析）通过关联分析，也可鉴定到与各植物表型、性状相关的功能性的非编码基因组位点，这些位点也常对应于CREs。

图1. 系统鉴定顺式元件组的代表性方法

已报导的研究中，顺式元件组与园艺作物的以下重要农艺性状相关（图2）：

(1) CREs调控果实成熟。番茄成熟的关键调控基因RIN的启动子区含有EIN3识别的CRE，该CRE在破色期发生去甲基化，从而结合EIN3启动番茄果实成熟。在香蕉中，成熟关键基因MaNAP1的启动子区也含有EIN3识别的CRE；此外，香蕉中MaMADS1和MaNAP1还可互相结合对方基因的启动子，形成额外的反馈环。苹果果实成熟的主调控因子MdNAC18.1可结合其自身启动子；苹果调控细胞壁软化的MdEXP-A1基因启动子中，也含有MdNAC1识别的CRE。

(2) CREs调控果实形态。首先，CREs可调控果实的大小，番茄中FW2.2、FW3.2和SlWUS启动子中的CRE在驯化过程中受到选择，相关变异可促进果实增大；编辑黄瓜NAC1与EXT-like基因附近的CRE可使其果实显著减小。其次，CREs还可调控果实的形状，删除番茄SlOFP20上游的CRE可促进果实伸长；番茄SUN基因随转座子一同移位后，受到来自DEFL1基因的额外顺式元件的调控，导致果实纵向延长。

(3) CREs调控果实色素代谢。果实色素形成主要受MYB类转录因子调控。苹果中花青素积累主要由MdMYB1控制，红皮苹果的MdMYB1基因启动子区含LTR转座子插入片段（redTE），该片段带来额外的CREs，可提高MdMYB1的表达水平从而使果皮着色。苹果果肉颜色由MdMYB10调控，其启动子区的CRE与果肉中色素的持续合成相关。柑橘中MITE转座子插入CCD4b启动子引入新CRE，可使果皮变红。葡萄中Gret1逆转座子插入VvMYBA1启动子降低其表达，导致白色浆果表型。

(4) CREs调控非生物胁迫的响应。低温敏感的香蕉品种中，冷胁迫诱导基因的启动子/增强子区富含WRKY转录因子的CREs；受冷时，这些CREs结合WRKY诱导冷应激反应，导致果皮褐变。高温可抑制香蕉果皮中的叶绿素降解，该生理过程与叶绿素分解基因（CCGs）前MaMYB60识别的CREs密切相关。梨中，PuMYB21/54可结合PuPLDβ1启动子区的CRE位点，启动膜脂过氧化，加速氧化胁迫下的果皮褐变。

(5) CREs促进园艺作物改良。改造CREs较改造编码区序列更适宜于精准育种，因改造CREs可定量精细调节基因表达水平、可实现组织特异性调节以避免基因多效性的负面影响、并具有快速进化的潜力。利用CRISPR/Cas系统可编辑启动子中的CREs，实现作物抗病力改良与产量提升。柑橘LOB1启动子中含病原效应因子PthA4识别的CRE，编辑该位点可获得抗溃疡病品种。番茄中采用CRISPR多位点编辑CLV3、WUS、SP等基因启动子，可实现产量性状的系统改良。除天然CREs外，将热诱导的人工CRE元件引入番茄LIN5启动子染色质开放区，可实现“源—库”的蔗糖重分配，提高耐热性。

图2. 顺式元件组调控园艺作物多种农艺性状

最后，本文指出，目前高通量技术的兴起已极大丰富了CRE相关的数据集，但同步创新、开发可解析CRE“语法”的数据分析方法也至关重要。近年来，人工智能与深度学习的发展为研究、设计CRE提供了前所未有的机遇。未来的作物育种中，可通过精准设计、定向编辑相关CREs，来精确调节目标农艺性状，以开发具有更强气候适应性及更高营养价值的园艺作物，贡献于全球农业的可持续发展。

中国热带农业科学院吕培涛研究员与福建农林大学朱方捷教授为该论文通讯作者，福建农林大学未来技术学院博士生李甜和园艺学院讲师曾雯为本文第一作者。本工作得到了国家自然科学基金，国家重点研发计划，热带作物生物育种全国重点实验室项目，福建省雏鹰计划青年拔尖人才项目以及人社部高层次海外人才项目的资助。

引用本文：Li, T., Zeng, W., Zhu, F. et al. Cis-regulatory elements: systematic identification and horticultural applications. aBIOTECH (2025). https://doi.org/10.1007/s42994-025-00237-0

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