aBIOTECH | 四川大学钟振晖团队揭示大豆抗病基因的表观遗传特征

植物基因组编码大量的模式识别受体（PRR）和核苷酸结合域富含亮氨酸重复序列受体（NLR），这两类免疫受体构成的抗病基因在植物抵御病原体信号传导和防御过程中发挥重要作用。为了避免免疫反应过度激活而影响植物生长，多层面的调控机制共同精细地平衡着这两类抗病基因的激活和表达。目前关于表观遗传学层面的抗病基因调控机制仍然有待探索。

近日，四川大学生命科学学院钟振晖团队在aBIOTECH 发表了题为“Epigenetically poised chromatin states regulate PRR and NLR genes in soybean”的研究论文。该研究通过整合表观组、转录组和三维基因组数据，对大豆中的PRRs和NLRs的表观调控机制进行了探究，揭示了抗性基因的停顿状态（poised state），以及成簇存在的PRRs和NLRs通过拓扑相关结构域（Topologically associating domains，TAD）共享相似的染色质状态介导的共调控机制。

作者首先对大豆总体的染色质状态和基因表达量进行了研究。大豆基因组的染色质状态被划分为8种，其中NLRs和PRRs相较于基因组中随机选择的对照基因，显著富集在同时含有活性表观标记和抑制性表观标记的停顿状态。同时这两类抗性基因的表达量也显著低于对照基因（图1）。

图1. 大豆基因组中R基因的染色质状态

为了进一步对上述停顿状态的表达潜力进行探究，作者分析了RNA polymerase II (Pol II)的ChIP-seq和ATAC-seq数据。发现NLRs和PRRs的Pol II结合信号主要富集在转录起始TSS区域，且两类抗病基因TSS处的染色质开放性相较于对照基因并没有明显的下降，表明抗病基因虽然维持了较低的表达水平，但仍然具有很强的表达潜力。通过分析抑制性组蛋白修饰H3K27me3的富集模式，作者发现NLRs与PRRs的修饰水平都比较高，而有趣的是该修饰在NLRs与PRRs基因的分布模式有所不同，NLRs上的H3K27me3在TSS的附近富集，而PRRs则是整个基因区都被H3K27me3覆盖（图2）。

图2. 抗病基因的全基因组染色质景观与转录停顿状态

此外，抗病基因在基因组的分布不是随机的，而是倾向于以基因簇的形式成簇存在。为了探究这一现象在基因表达调控上的生物学功能，研究整合Hi-C数据加入三维基因组信息，进一步发现成簇存在的抗病基因簇趋向于位于同一个TAD内，同时这些位于TAD内的抗病基因的非活性修饰比例增加，这一现象在PRR基因簇上尤为明显（图3）。通过计算TAD内抗性基因组蛋白修饰的相关性系数，作者发现同一TAD内部的抗性基因共享着相似的染色质状态。进一步计算这些基因在生物胁迫下的表达量相关性系数，发现这些基因在TAD内部的共调控表达模式（图4）。

图3. 大豆抗病基因簇位于同一TAD内

综上所述，该研究通过整合表观组、三维基因组和转录组等多组学策略，对大豆中NLR与PRR这两类重要抗病基因的表观调控机制进行了探究。研究结果揭示了抗病基因普遍维持较低表达水平，但是染色质开放性与组蛋白修饰水平仍然维持在较高水平的停顿状态，以及成簇存在的抗病基因通过TAD共享相似的染色质状态实现表达调控。

图4. 大豆抗病基因簇的组蛋白修饰和表达相关性

四川大学生命科学学院本科生金林浙为本文第一作者，钟振晖研究员为通讯作者，该团队成员张逸涵、郭嘉媛、刘雪霞、赖妍伶、黄馨芳、邹雨涵、闫世创、戴先哲等也参与了该研究。

本研究得到了中央高校基本科研业务费专项资金的资助。

引用本文：

Jin, L., Zhang, Y., Guo, J. et al. Epigenetically poised chromatin states regulate PRR and  NLR genes in soybean. aBIOTECH (2025). https://doi.org/10.1007/s42994-025-00233-4 

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