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真核生物染色质三维空间结构在基因转录调控和控制多种生物过程中起着至关重要的作用。近年来，染色体构象捕获技术如Hi-C等得到了广泛应用，染色质三维结构研究取得了多项重要发现，鉴定了区室结构（A/B Compartment）、拓扑结构域（Topologically associating domains, TAD）等，揭示了染色质三维结构与基因组功能高度相关 （de Laat W et al,2013; Rowley,2018） 。此外，在少数真核生物中报道了环境变化对染色质三维结构的影响 （Sun et al., 2020; Li, 2015） 。然而，作物染色质三维结构响应逆境胁迫的作用机制仍不清楚。

近日，中国农业科学院生物技术研究所谷晓峰团队和合作者在BMC Biology上发表了题为Reorganization of the 3D chromatin architecture of rice genomes during heat stress的研究论文 ，首次揭示了籼稻和粳稻染色质三维空间结构在高温胁迫下发生重组的动态变化。

该研究以粳稻品种“日本晴”和籼稻品种“93-11”为研究对象，利用三维空间结构 （Hi-C seq） 、染色质开放性 （ATAC seq） 等方法对染色质三维结构和可及性在高温胁迫下的动态变化进行研究。高温胁迫条件下，粳稻“日本晴”和籼稻“93-11”的染色质三维空间结构出现明显变化，引发了不同层级结构单元的变化，并且互作强度出现显著下降，互作距离明显变长。 进一步发现，高温胁迫下三维结构变化影响了染色质可及性 （ATAC） 的富集分布，“93-11”比“日本晴”表现出更多的基因动态表达和染色质可及性变化，这与“93-11”具备更强的高温耐受性一致。

值得一提的是，该研究发现全基因组ATAC信号显著与DNA 腺嘌呤甲基化 （N6-methyldeoxyadenosine, 6mA） 修饰位点重叠，揭示染色质可及性变化可能和DNA 6mA协同调控水稻的高温胁迫响应。DNA 6mA是华中农大周道绣团队、谷晓峰团队在水稻中发现的一种新的表观遗传标记，之前研究表明DNA 6mA修饰与水稻的高温应激相关 （Zhang et al, 2018; Zhou, 2018） 。

综上所述，该研究通过籼稻“93-11”和粳稻“日本晴”品种的Hi-C seq、ATAC seq和RNA Seq的多组学联合分析，揭示了籼粳间响应高温胁迫过程中染色质三维结构动态变化规律，强调了从染色质三维结构层面深入研究胁迫响应的的重要性。研究结果为深入研究水稻响应环境胁迫信号的表观遗传精准调控机制和设计改良提供了新途径。

中国农业科学院生物所谷晓峰研究员为论文通讯作者，生物所梁哲和张倩为论文第一作者，该工作得到了国家重大专项、中国农科院科技创新工程等项目资助。

参考文献：

1. Liang Z,Zhang Q,Ji C,Hu G,Zhang P,Wang Y,Yang L,Gu X. Reorganization of the 3D chromatin architecture of rice genomes during heat stress. BMC Biology.2021

2. de Laat W, Duboule D. Topology of mammalian developmental enhancers and their regulatory landscapes. Nature. 2013; 502:499–506.

3. Rowley MJ, Corces VG. Organizational principles of 3D genome architecture. Nat Rev Genet. 2018; 19:789–800.

4. Sun L, Jing Y, Liu X, Li Q, Xue Z, Cheng Z, Wang D, He H, Qian W. Heat stress-induced transposon activation correlates with 3D chromatin organization rearrangement in Arabidopsis. Nat Commun. 2020; 11:1886.

5. Li L, Lyu X, Hou C, Takenaka N, Nguyen HQ, Ong CT, Cubenas-Potts C, Hu M, Lei EP, Bosco G, et al. Widespread rearrangement of 3D chromatin organization underlies polycomb-mediated stress-induced silencing. Mol Cell. 2015; 58:216–31.

6. Zhang Q, Liang Z, Cui X, Ji C, Li Y, Zhang P, Liu J, Riaz A, Yao P, Liu M, et al. N(6)-methyladenine DNA methylation in Japonica and Indica rice genomes and its association with gene expression, plant development, and stress responses. Mol Plant. 2018; 11:1492–508.

7. Zhou, C., C. Wang, H. Liu, Q. Zhou, Q. Liu, Y. Guo, T. Peng, J. Song, J. Zhang, L. Chen, Y. Zhao, Z. Zeng, and D. X. Zhou Identification and analysis of adenine N(6)-methylation sites in the rice genome. Nat Plants. 2018;4: 554-563

原文链接：

https://bmcbiol.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12915-021-00996-4