全基因组复制是高等真核生物进化过程中普遍存在的现象，使真核生物的基因数量加倍，为新物种适应和进化提供了丰富的遗传物质。大豆(Glycine max)是典型的古多倍体，经历了两轮全基因组复制事件，导致近75%的基因以多拷贝形式存在，约50%重复基因转录存在显著差异。然而，高度相似重复基因转录差异的分子机制仍然知之甚少。
东北地理所农田有害生物控制学科组孟凡立研究团队与美国密歇根州立大学(Michigan State University)Jiming Jiang研究团队合作，利用MH-seq (MNase-hypersensitivity sequencing )技术在全基因组范围内绘制大豆叶片、花和籽粒的MNase超敏感位点(MHS)图谱。发现相较于ATAC-seq (Assay for transposase-accessible chromatin with high-throughput sequencing )，在大豆基因组中MH-seq可定位更多染色质可及性区域(ACR)(图1a)。为了验证MHS调控基因转录的功能，作者通过基因组编辑技术获得了大豆E1等基因侧翼MHS敲除突变体，发现MHS具有增强子功能，在大豆开花和籽粒发育中起着重要作用(图1b)。进一步的研究揭示组织特异性MHS序列通过富集组织特异表达TF结合位点来调控靶基因组织特异表达。
另外，研究团队对最近一次全基因组重复事件产生的17111对重复基因进行分析，鉴定出5254对重复基因转录水平存在显著差异，并且发现高表达拷贝基因5′端具有高染色质可及性。进一步的研究揭示重复基因转录差异与其侧翼染色质可及性区域的获得或者丢失以及染色质可及性区域内顺式调控元件突变相关(图2)。大豆全基因组重复事件后，调控序列的重塑导致重复基因的转录表达水平以及组织特异性发生分化，这可能是在缺乏亚基因组显性的多倍体中，重复基因差异表达的普遍机制。
综上，该研究在全基因组范围内绘制了大豆多个组织染色质可及性精准图谱，揭示了大豆全基因组复制后顺式调控序列重塑在重复基因转录分化中的关键作用，为更全面的理解缺乏亚基因组显性多倍体中重复基因差异表达机制提供了新观点。
该研究成果近日以题为“Dynamics of cis-regulatory sequences and transcriptional divergence of duplicated genes in soybean”在线发表在国际综合性期刊B刊《Proceedings Of The National Academy Of Sciences Of The United States Of America》(PNAS，IF：11.1)上。美国密歇根州立大学博士后房超是论文第一作者，美国密歇根州立大学Jiming Jiang教授和东北地理所孟凡立研究员为该论文通讯作者。东北农业大学陈庆山教授和吉林省农科院张玲副研究员也参与了部分研究。研究得到国家重点研发计划项目(2021YFF1001202)和国家自然科学基金项目(32172032)联合资助。
图1. 大豆全基因组MHSs定位及E1基因的MHS功能分析
图2. 重复基因5’端进化中获得MHS及其对基因表达影响
论文信息：
Cao Fang, Mingyu Yang, Yuecheng Tang, Ling Zhang, Hainan Zhao, Hejia Ni, Qingshan Chen ,
Fanli Meng*, Jiming Jiang*. Dynamics of cis-regulatory sequences and transcriptional divergence of duplicated genes in soybean, Proceedings of the National Academy of Sciences. 2023. 120 (44) e2303836120
