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文献分享 | 玉米ARF转录因子家族不同拷贝基因调控组分化解析

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Title: The DNA binding landscape of the maize AUXIN RESPONSE FACTOR family

Date: 201810

Journal: Nature Communication (IF: 14.919)


研究背景

生长素响应因子(ARF)是植物特异性转录因子(TF),它生长素的感知基因,是所有陆地植物必需的转录因子家族。与许多大型TF家族一样,ARF基因家族不同拷贝是否通过结合不同的靶基因来影响不同的性状,目前尚不清楚本论文为研究转录因子基因家族不同基因拷贝功能分化提供范例。


研究材料

玉米穗雄蕊、,幼苗,根


涉及技术

DAP-seq,ATAC-seq,RNA-seq


研究思路

1、通过DAP-seq技术分析ARF基因家族不同拷贝的结合位点差异,分析ARF结合位点间间隔的特征;

2、通过分析生长素处理与对照的基因表达(RNA-seq)情况,分析auxin响应基因的ARF结合位点特征;

3、通过ATAC-seq或MNase-seq技术检测四种玉米器官(根、叶、穗和雄蕊)的开放染色质特征,进一步分析ARF基因结合位点开放性特征。

4、通过机器学习方法预测ARF结合位点的可行性评估。


研究结果

  1. 玉米ARF的全基因组结合位点分析

使用DAP-seq得到14个玉米ARF数据进一步分析形成7个进化枝A类ARF和7个进化枝B类ARF,每个进化枝又分三个不同的亚进化枝。总共确定了124,530个ARF结合位点。峰的基因组分布显示近端调区域富集。已知的生长素响应基因,如Aux/IAAs,GH3s和SAURs,显示被大多数 ARF在潜在的调节区域结合,并且多与使用ATAC-seq 鉴定的染色质开放区域重叠。

所有ARF都优先与含TGTC基序的序列结合,进化枝A ARF结合位点主要富集TGTCGG基序,而大多数进化枝BARF结合位点富集具有TGTCCCC基序靶基因的GO分析富集显示,靶基因主要是涉及对各种激素刺激的应,器官发育、细胞壁相关过程和基因表达调控

虽然两个主要进化枝的ARF均特异性位点结合,但一部分结合位点(16%)被进化枝A和B ARF共同结合。无论是在相同的细胞中还是在不同的组织中,进化枝A和进化枝B ARF可以经常通过与临近调控区结合或直接竞争相同的结合位点来共同调节相同的靶基因

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2.生长素响应基因ARF结合位点富集分析

对玉米幼苗进行了短期生长素处理,然后进行转录组检测(RNA-seq。差异基因表达分析分别鉴定出339个上调基因和359个下调基因,其中148个被强诱导。发现生长素诱导受进化枝A峰的数量和位置的影响,同时许多近端结合位点也被进化枝BARF占据。


3开放染色质分析揭示组织特异性ARF结合

使用ATAC-seq或MNase-seq技术分析了来自四种玉米器官的开放染色质数据集。总共约5-25%的ARF峰与来自这四种组织中的至少一种的开放染色质区重叠。进化枝B类ARF基因的特异峰出现在开放染色质区域中的可能性大约进化枝A类ARF特异峰少约三倍。在一个控制穗特征的QTL的近端调控区中,观察到两个ARF结合位点,其中一个对应于位于穗特异性开放染色质区域内的共享峰。

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ARF峰与开放染色质区域重叠


4. 机器学习方法预测ARF结合位点

本研究利用有监督的机器学习方法,基于motif序列、序列方向性特征、ARF结合位点附近序列来训练神经网络模型。本研究基于每一个ARF的数据集来训练得到单个ARF的结合位点模型。然后利用训练模型对已有的抗牲口掠食QTL位点进行预测,发现在QTL区域BX1基因下游约4kb区域存在DICE元件,MO17材料等位基因的额外ARF结合位点可能是更高BX1基因表达的原因。


讨论:

转录因子基因家族扩张是生物的普遍现象,不同家族成员的DNA识别特异性是我们理解基因冗余性和功能分化的基础。该研究大规模研究了ARF基因家族的顺式调控元件,靶基因涉及到了发育、驯化和产量等性状。本研究发现了ARF基因家族的冗余性和功能分化现象,揭示了ARF可能通过异二聚体来实现对目标靶基因的多样性调控,同时发现motif间的间隔距离也存在一定的多样性变化。


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