ATAC-seq：给你的转录组+代谢组加点猛“料”

果实在人类膳食结构中占有重要地位，是维生素、类胡萝卜素、类黄酮等多种健康有益物质的重要来源。果实成熟和衰老是果实发育的重要阶段，伴随着质地变化、色素沉着、营养物质和风味品质的形成等一系列复杂的生理生化过程。

最近，整合代谢组学和转录组学的分析方法已成功应用于探索许多水果中调节代谢物积累的关键因子。然而，这两种方法只能分别在RNA和代谢物水平上反映基因表达和代谢物积累的变化，并不能直接破译影响基因表达的因子。

开放染色质的获取可以揭示基因表达的调控机制，是表观遗传学研究的热点。ATAC-seq是一种表观遗传学研究手段，是使用高通量测序分析Tn5转座酶可及性染色质区域的技术，并被认为是识别顺式调节区域(如TF结合位点)的潜在工具。

近一年来，国内研究人员已发表了多篇有关果实成熟/采后过程中的转录组、代谢组和染色质可及性变化的文章，涉及苹果、苦瓜和番茄。研究结果为果实着色和软化、营养物质的积累和风味品质形成的分子机制提供了新见解，为果实品质改良提供了理论依据和潜在靶点。

红苹果果实成熟过程中的代谢组、转录组和染色质可及性变化

【标题】Integrated metabolic, transcriptomic and chromatin accessibility analyses provide novel insights into the competition for anthocyanins and flavonols biosynthesis during fruit ripening in red apple

【发表时间】2022年9月

【期刊】Frontiers in plant science

【影响因子】5.753

【主要作者单位】山西农业大学、福建农林大学

【通讯作者】张建成教授、吕培涛教授

研究采用UPLC-MS/MS、RNA-seq和ATAC-seq技术手段分别对'红满堂'苹果在3个成熟阶段(PS1：开花后约7周；PS5：开花后约15周；PS9：开花后约23周)进行了代谢组、转录组和开放染色质的分析。代谢组的结果显示在PS5_vs_PS1和PS9_vs_PS5的比较中分别存在341个和195个差异积累代谢物(DAMs)。其中，矢车菊素-3-O-葡萄糖苷和8种槲皮素呈现完全相反的表达模式，表明红苹果果实发育和成熟过程中，花色苷和黄酮醇生物合成之间存在着动态竞争。转录组的结果则显示，有852个差异表达基因（DEGs）在PS5_vs_PS1中上调而在PS9_vs_PS5中下调，与花色苷积累模式相同。843个DEGs在PS9_vs_PS5中上调而在PS5_vs_PS1中下调，与大多数黄酮醇尤其是槲皮素有相同的动态模式。根据ATAC-seq分析结果，有128个差异染色质开放区域（DARs）在PS5_vs_PS1中上调，在PS9_vs_PS5中下调，与差异积累的花色苷变化模式一致；而364个DARs表现出相反的模式，与差异积累的槲皮素变化模式一致。此外，MYB和bZIP相关基序在DARs中显著富集，前者的变化模式与差异积累的花色苷相同，后者与黄酮醇相同。

红苹果果实成熟过程中染色质可及性的特征

整合代谢组和motif富集的结果，推测TF MYBs有多种功能，不同的MYB成员在调控花色苷和黄酮醇的生物合成中发挥不同的作用，而bZIP转录因子可能在调控红苹果果实成熟过程中黄酮醇的生物合成中发挥重要作用。在这些MYB和bZIP基因中，4个bZIPs和14个MYBs分别与花色素苷和槲皮素含量呈显著正相关，它们可以被认为是分别调节花色素苷和槲皮素动态的枢纽基因，在平衡花色苷和黄酮醇生物合成中发挥主导调节作用。

红苹果果实成熟过程中分子变化示意图

苦瓜T2T基因组组装为研究基因组变异和果实发育过程中染色质可及性、代谢组和转录组提供了参考序列

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

【发表时间】2022年10月

【期刊】Horticulture Research

【影响因子】7.291

【主要作者单位】北京市农林科学院、美国宾夕法尼亚州立大学

【通讯作者】左进华副研究员、王清研究员、马红教授

研究首先基于PacBio Sequel II平台的CCS测序数据组装、Hi-C测序数据辅助组装，最终获得了一个染色体级别T2T的高质量'金铃子'苦瓜参考基因组。以'金铃子'基因组序列为参考，在苦瓜基因组中发现了多种类型及数量的基因组变异，与植物激素、质地和萜烯代谢有关。接着，研究人员对3个时期(IM果：开花后14天；BR果：开花后28天；RS果：开花后35天)的'金铃子'果实进行了ATAC-seq分析，IM_vs_BR中的主要DARs位于6号染色体，影响与类胡萝卜素途径和植物激素信号转导相关的基因；BR_vs_RS中的主要DARs位于3号染色体，影响的基因有乙烯应答转录因子WRI1和ERF118及生长素应答因子ARF1，DARs中富含RAP2-3、ERF9、ERF104、PIF7和HY5结合基序。

DARs注释及IGV可视化和motif分析

接着，研究人员对'金铃子'在三个发育阶段的果实进行了全面的代谢组和转录组分析。在果实预熟阶段，分别在果肉和果皮中鉴定到261个和200个DEMs；而在果实后熟阶段，分别在果肉和果皮中鉴定到376个和192个DEMs。在预熟阶段，果皮中的DEGs为515个；而在后熟阶段，有4593个DEGs。整合转录组和代谢组的结果，发现这些DEGs和DEMs参与调控'金铃子'果实成熟过程中的葫芦素、皂苷、植物激素、氨基酸、脂类和类胡萝卜素的生物合成和积累。这些变化决定了'金铃子'果实的品质和营养价值。

'金铃子'成熟过程中果皮和果肉组织中代谢物积累变化的示意图

番茄果实采后衰老过程中的转录组、代谢组和染色质可及性变化

【标题】Transcriptomic, metabolomic, and ATAC-seq analysis reveal the regulatory mechanism of senescence of post-harvest tomato fruit

【发表时间】2023年3月

【期刊】Frontiers in plant science

【影响因子】6.627

【主要作者单位】北京市农林科学院、天津科技大学

【通讯作者】左进华副研究员、刘明池研究员、孟德梅讲师

研究首先对两种番茄'YS006'(可贮藏番茄)和'JF308'(普通番茄)进行代谢组分析，发现了1006个代谢物。两种番茄在贮藏期间的代谢物都在变化，'YS006'在对应期间的DAMs较'JF308'多。DAMs包括脂质、生物碱、类黄酮、萜类化合物、酚酸、有机酸、氨基酸及衍生物和核苷酸及衍生物。根据转录组的结果，共有3352个和2035个DEGs分别出现在J7_vs_J14和J14_vs_J21的比较中；而在Y7_vs_Y14和Y14_vs_Y21的比较中，分别有4065个和2286个DEGs。在贮藏期，与苯丙烷类、类黄酮途径以及与碳水化合物代谢相关的基因在两种栽培番茄之间存在表达量差异。整合代谢组和转录组数据，发现12个DEGs和5个代谢物参与了淀粉和蔗糖途径。对贮藏第7天和第21天的番茄果实进行ATAC-seq分析，发现两个番茄品种之间存在ACRs的富集差异，一些bHLH转录因子如TCP2、TCP4、TCP5和TCP24以及一些bZIP TFs的motif出现在DARs，表明这些转录因子可能在番茄果实贮藏期间的衰老中发挥重要作用。

番茄果实的总体ATAC-seq结果

整合ATAC-seq和RNA-seq数据，分析得出染色质开放性正调节基因表达。J7果实中，ATAC-seq信号值高的地方，基因表达水平也高。在J7_vs_Y7及J21_vs_Y21的比较中，开放性丢失表达量上调和开放性丢失表达量下调的基因最多。对与DEGs相关的不同开放区域中富集的TF进行分析，发现AHL12、ZNF384和SUM1是最富集的。作用于相同靶基因的TF倾向于共调节，表明它们彼此之间可能存在相互作用。

'JF308'和'YS006'番茄果实采后贮藏的调控模型

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参考文献：

1、Cheng, C., Guo, Z., Li, H., Mu, X., Wang, P., Zhang, S., ... & Zhang, J. (2022). Integrated metabolic, transcriptomic and chromatin accessibility analyses provide novel insights into the competition for anthocyanins and flavonols biosynthesis during fruit ripening in red apple. Frontiers in Plant Science, 3764.

2、Fu, A., Zheng, Y., Guo, J., Grierson, D., Zhao, X., Wen, C., ... & Zuo, J. (2023). Telomere-to-telomere genome assembly of bitter melon (Momordica charantia L. var. abbreviata Ser.) reveals fruit development, composition and ripening genetic characteristics. Horticulture Research, 10(1), uhac228.

3、Zuo, J., Guo, S., Ji, Y. H., Zheng, Y., Watkins, C. B., Ma, L., ... & Liu, M. (2023). Transcriptomic, metabolomic, and ATAC-seq analyses reveal the regulatory mechanism of senescence of post-harvest tomato fruit. Frontiers in Plant Science, 14, 626.