ATAC-seq技术在植物研究中的应用：六个经典案例解析

ATAC-seq技术在植物研究中的应用：六个经典案例解析

ATAC-seq（Assay for Transposase-Accessible Chromatin with high-throughput Sequencing）是一种用于探究染色质开放性区域的技术，该技术利用Tn5转座酶接近核小体疏松区域切割暴露的DNA，获得开放的染色质区段(Open Chromatin)，通过高通量测序及生物信息学分析来挖掘潜在的活跃转录因子及其靶基因，以此探究生物学相关问题。

因其能够提供全基因组范围内染色质状态的视图，ATAC-seq技术在表观遗传学、转录调控和细胞命运决定等领域得到了广泛应用。研究人员可以利用ATAC-seq更深入地理解基因表达的调控机制，以及在不同生物学条件或发育阶段下染色质状态的变化。随着技术的发展，ATAC-seq也在植物学研究中被用于分析植物生长和发育过程中染色质开放性的变化。

根据NCBI的资料，除了模式植物拟南芥外，近年来使用ATAC-seq技术的植物物种至少有数十种，涵盖了以下几类：

文献一：Integrated 3D genome, epigenome and transcriptome analyses reveal transcriptional coordination of circadian rhythm in rice.

• 中文标题：综合3D基因组、表观基因组和转录组分析揭示水稻生理节律的转录协调性
• 发表时间：2023.09
• 发表期刊：Nucleic Acids Research（IF：14.9）
• 研究物种：水稻
• 研究技术：ChIP-seq、RNA-seq、ATAC-seq、BL-Hi-C、FISH
• 主要内容：
  该研究通过综合分析水稻的3D基因组、表观基因组和转录组，揭示了昼夜节律在水稻中的转录协调性。研究发现，在不同的光照条件下，水稻中与昼夜节律相关的基因表达和组蛋白H3K9ac修饰表现出显著的相关性。此外，通过时间序列的ATAC-seq分析，研究者们描绘了转录因子结合模式，并发现了与核心生物钟基因相关的转录因子网络。通过BL-Hi-C技术，研究者们还观察到昼夜节律基因在染色质空间结构上表现出时间特异性的相互作用。此外，研究还涉及了长链非编码RNA（lncRNA）的振荡表达及其与附近振荡基因的共表达模式。这些发现为理解植物如何通过多层次的调控机制来协调昼夜节律提供了新的见解。

文献二：Chromatin spatial organization of wild type and mutant peanuts reveals high-resolution genomic architecture and interaction alterations.

• 中文标题：野生型和突变型花生的染色质空间组织揭示了高分辨率的基因组结构和相互作用改变
• 发表时间：2021.11
• 发表期刊：GENOME BIOLOGY（IF：12.3）
• 研究物种：花生
• 研究技术：Hi-C、ATAC-seq、RNA-seq、3C实验
• 主要内容：
  本研究通过Hi-C技术、ATAC-seq和RNA-seq等手段，对野生型和突变型（矮化株）花生的三维基因组结构进行了详细的分析。研究发现，花生的染色质空间组织在基因表达调控和细胞稳态中起着关键作用。研究揭示了A/B区室、拓扑关联域（TADs）和广泛的染色质相互作用，并发现突变型花生中2.0%的染色体区域从非活性状态（B区室）转变为活性状态（A区室），这些区域含有与黄酮类生物合成和昼夜节律功能相关的58个差异表达基因。此外，研究还发现了一个新的TAD，它在突变型花生中产生不同的染色质环，并含有可能上调GA2ox基因表达并降低活性赤霉素（GA）含量的特定上游AP2EREBP结合位点，这可能是导致突变型植株矮化的分子机制。研究结果为理解植物中3D染色质结构与转录调控之间的关系提供了新的见解。

文献三：3D genome architecture coordinates trans and cis regulation of differentially expressed ear and tassel genes in maize.

• 中文标题：玉米穗部和雄穗基因的三维基因组结构协调反式和顺式调控
• 发表时间：2020.06
• 发表期刊：GENOME BIOLOGY（IF：12.3）
• 研究物种：玉米
• 研究技术：ATAC-seq、ChIP-seq、BS-seq、RNA-seq、Hi-C
• 主要内容：
  通过ATAC-seq和ChIP-seq等技术手段鉴定了玉米穗部和雄穗发育过程中的开放染色质区域 (OCRs)，并分析了这些区域周围的组蛋白修饰和DNA甲基化特征。利用RNA-seq数据集研究了穗部和雄穗中差异表达的基因，并探讨了这些基因的顺式和反式调控机制。通过DLO Hi-C技术系统地绘制了相应组织中的染色质互作图谱，揭示了连接OCRs和基因的广泛染色质环，为理解顺式和反式调控模块在穗部和雄穗特异性基因表达中的作用提供了三维视角。发现了基因间单核苷酸多态性 (SNPs) 倾向于位于远端OCRs，并且通过染色质互作图谱提供了这些与性状相关联的基因间SNPs可能通过染色质环影响目标基因表达，从而贡献到表型变异的潜在机制。研究结果为理解玉米穗部和雄穗发育以及形态多样性背后的复杂调控机制提供了深入的认识，并为作物改良提供了潜在的应用价值。

文献四：Wheat chromatin architecture is organized in genome territories and transcription factories.

• 中文标题：小麦染色质结构是在基因组区域和转录工厂中组织
• 发表时间：2020.04
• 发表期刊：GENOME BIOLOGY（IF：12.3）
• 研究物种：小麦
• 研究技术：RNA-seq、ChIP-seq、ATAC-seq、HiC、Hi-ChIP、GISH、免疫荧光
• 主要内容：
  本文研究了六倍体小麦的细胞核染色质结构，通过整合RNA-seq、ChIP-seq、ATAC-seq、Hi-C和Hi-ChIP数据。研究发现了三个层次的大尺度空间组织：基因组区域的排列、选择性和组成性异染色质的对立分离以及RNA聚合酶II围绕转录工厂的组织。证明了转录活跃基因的微区室化，这是通过具有特定 euchromatic 组蛋白修饰的基因之间的物理相互作用来确定的。展示了染色体环如何定义小麦基因组架构的局部功能单元，并且这些环与基因表达的协同调控有关。研究提出了一个模型，其中小麦的染色质结构围绕四个主要的拓扑特征进行层次化组织：基因组领地、组成性和选择性异染色质的极化、转录工厂和ICONS（基因间凝聚间隔）。这项研究为理解小麦这种多倍体作物的基因组拓扑结构提供了新的见解，并强调了多尺度上的三维构象是调控基因转录的关键因素。

文献五：The genome of Areca catechu provides insights into sex determination of monoecious plants.

• 中文标题：槟榔的基因组提供了对雌雄同株植物性别决定的见解
• 发表时间：2022.09
• 发表期刊：NEW PHYTOLOGIST（IF：9.4）
• 研究物种：槟榔
• 研究技术：基因组测序、ATAC-seq、RNA-seq、UHPLC-MS/MS
• 主要内容：
  本文通过多组学分析，研究了槟榔（Areca catechu）性别决定和花器官发育的分子机制。研究者生成了槟榔的染色体级别参考基因组，并发现在雌花和雄花中存在差异表达的基因，特别是与茉莉酸（JA）合成和信号传导相关的基因。通过ATAC-seq技术，研究者观察到与JA生物合成和激素信号传导相关的基因在雌花中的染色质可及性更高，而在雄花中则较低。此外，研究还涉及了植物激素含量的测定，以及性别相关基因在槟榔基因组中的分布和进化分析。研究结果为理解雌雄同株植物的性别决定机制提供了新的见解，并为未来的槟榔分子育种提供了基础资源。

文献六：Telomere-to-telomere genome assembly of bitter melon (Momordica charantia L. var. abbreviata Ser.) reveals fruit development, composition and ripening genetic characteristics

• 中文标题：苦瓜T2T基因组发布及结合ATAC-seq等多组学揭示果实发育、组成和成熟的遗传特征
• 发表时间：2022.01
• 发表期刊：Horticulture Research（IF：8.7）
• 研究物种：苦瓜
• 研究技术：基因组denovo测序、RNA-seq、ATAC-seq、代谢组、HiC
• 主要内容：
  研究人员通过组装苦瓜的端粒到端粒（T2T）高质量基因组，并利用Hi-C技术进行了染色体锚定。通过ATAC-seq技术确定了开放染色质区域，并通过代谢组学分析鉴定了苦瓜果实浆中的特征性代谢物，如皂苷和momordicins。结合转录组和代谢组的分析，揭示了苦瓜果实果皮中色素积累和cucurbitacin生物合成的机制，为进一步研究苦瓜果实成熟提供了基础分子信息。此外，本研究还为葫芦科植物的系统发育提供了新的遗传资源，并增进了对该科植物果实成熟过程的理解。

总 结

ATAC-seq技术在植物科学研究领域的应用日益广泛，为理解植物基因组的三维结构、染色质的开放性以及基因表达的调控机制提供了强有力的工具。通过上述文献集锦，我们可以看到ATAC-seq在不同植物物种中的应用涵盖了从模式植物到农作物，从园艺植物到药用植物的多个方面。这些研究不仅揭示了植物在不同生物学过程和环境条件下染色质状态的变化，而且还发现了与生长发育、性别决定、果实成熟等相关的关键基因和调控网络。

特别是，通过与Hi-C、ChIP-seq、RNA-seq等技术的联合应用，ATAC-seq能够提供更全面的视角来理解基因组的空间组织和基因表达的多层次调控。这些研究结果不仅增进了我们对植物生命过程的认识，而且为作物改良和分子育种提供了新的策略和潜在靶点。随着技术的不断进步和应用的深入，未来ATAC-seq将在植物科学研究中发挥更加重要的作用，推动植物科学向更深层次的发展。