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武汉爱基百客生物科技有限公司(简称爱基百客),注册于2014年12月31日,次年10月正式开始对外运营,是一家专业提供表观组学技术服务、高通量测序、单细胞测序分析的新型生物科技服务企业。

公司总员工已达到百余人,其中95%以上具有学士学位,40%以上具有硕士及以上学位,专职科研人员20余人,专职销售人员30余人,覆盖全国90%的省市,核心成员来自国内知名高效、基因测序公司、信息分析公司等。

公司运营至今销售额累积1亿左右,成为国内成长最迅速的二代测序与生物科研服务企业之一。




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多篇IF 10分+带你了解Hi-C在植物方向的研究成果(近2年) | Hi-C专题

染色体是遗传性状的载体,决定细胞的功能和发育。这不仅基于染色体的线性DNA序列,还基于与它们相关的额外分子信息,包括转录机制、组蛋白修饰和它们的三维折叠。之前的推文里和大家分享了3D基因组与Hi-C(高通量染色体构象捕获技术)研究的一些概念和多组学研究思路。今天和大家分享下Hi-C在植物方向的应用成果。


Hi-C专题(一)| 3D基因组(三维基因组)与Hi-C技术的那些事儿

Hi-C专题(二)| 科研想提效?快来看看这个Hi-C多组学分析思路


目前,Hi-C研究应用方向主要是辅助基因组组装染色质结构变异检测、与其他组学联合分析染色质互作本文带大家回顾下近2年内Hi-C技术在植物领域的一些研究进展。大豆、盐生植物二色补血草、花生、南荻、苹果、罂粟、水稻和马铃薯,小编在选择物种时尽量把各个细分方向的植物都照顾到。


01 Hi-C与大豆

大豆多倍体化和驯化过程中染色质结构和基因表达的改变


2021年7月2日南京农业大学宋庆鑫教授团队Plant Cell IF: 11.277)发表题为“Altered chromatin architecture and gene expression during polyploidization and domestication of soybean”的研究论文。该研究联合了3D基因组、染色质可及性、DNA甲基化、组蛋白修饰和转录组多组学技术,深度阐述了在大豆多倍体、二倍体和人工驯化中,大豆染色质三维结构重构与表观修饰如何调控基因表达和表型。

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文章标题:Altered chromatin architecture and gene expressionduring polyploidization and domestication of soybean

发表时间:2021年7月2日

发表期刊:Plant Cell IF: 11.277)

技      术:ATAC-seq、ChIP-seq、Hi-C、MethylC-seq、RNA-seq(爱基百客均可提供


摘要

多倍体或全基因组复制(WGD)在植物中广泛存在,是植物进化和物种形成的关键驱动因素,伴随着基因组结构和基因表达的快速和动态变化。基因组的3D结构与基因表达密切相关,但其在多倍体和驯化后的转录调控中的作用仍不清楚。在该研究中,作者生成了栽培大豆(Glycine max)、野生大豆(Glycine soja)、菜豆(Phaseolus vulgaris)的高分辨率(~2 kb)Hi-C图谱


作者发现大豆的多倍体化可能导致拓扑关联结构域的变化,随后的二倍体化导致染色体重排位点周围的染色质拓扑变化。与单拷贝和小规模重复基因相比,WGD基因表现出更长的染色体相互作用,具有更高水平的基因表达和染色质可及性,但不存在DNA甲基化。


有趣的是,在大豆驯化过程中,染色质环重组参与了这些基因的表达分化。有染色质环的基因比无染色质环的基因具有更强的人工选择能力。这些研究结果为研究动态染色质结构在大豆多倍体化、二倍体化和驯化过程中对基因表达的影响提供了新的见解。


小结:该研究将Hi-C与其他组学联合起来分析栽培大豆、野生大豆和菜豆,展示了染色质在三维结构上的动态差异,揭示了基因组拓扑结构在古多倍体大豆进化和驯化过程中的重要作用。


02 Hi-C与二色补血草


秘盐植物二色补血草基因组的研究为陆地进化过程中盐腺的发育和盐度适应提供了新视角


2022年6月6日山东师范大学生命科学学院王宝山团队在期刊Molecular PlantIF:13.164)发表题为The genome of the recretohalophyte Limonium bicolor provides insights into salt gland development and salinity adaptation during terrestrial evolution”的研究论文。该研究首次揭示多细胞秘盐植物的基因组信息和其抗盐适应演化机制。

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文章标题:The genome of the recretohalophyte Limonium bicolor provides insights into salt gland development and salinity adaptation during terrestrial evolution

发表时间:2022年6月6日

发表期刊:Molecular PlantIF:13.164)

技      术:基因组测序、Hi-C、RNA-seq、Iso-seq(爱基百客均可提供

摘要

盐生植物已经进化出专门的策略来应对高盐。极端盐生植物双色补血草没有毛状体,但在表皮上有盐腺,可以排出钠等有害离子,以避免盐的伤害。该研究整合了 Illumina短reads、单分子、实时长reads、Hi-C数据,以及 Bionano基因组图谱,组装了一个高质量、2.92Gb、染色体水平的双色补血草组装基因组,极大地丰富了带有多细胞盐腺的泌盐植物的基因组信息。


作者在毛状体经典同源基因中发现了控制盐腺发育的关键基因bHLH和LbTTG1,并通过构建的突变体株系证明它们的功能,能显著破坏盐腺起源、盐分泌和耐盐性,从而为盐腺和毛状体可能有共同起源的长期假说提供了遗传支持。此外,补血草在与苦荞分离后发生了全基因组复制事件,这可能是其适应高盐度的原因之一。本研究提供了补血草的基因组资源和遗传证据,这为植物耐盐机制的研究提供了新思路,可能促进耐盐作物的改造。


小结:该研究主要是利用Hi-C去辅助组装基因组。


03 Hi-C与花生

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的改变


2021年11月16日河南农业大学殷冬梅教授团队在期刊Genome BiologyIF: 13.583)发表题为Chromatin spatial organization of wild type and mutant peanuts reveals high-resolution genomic architecture and interaction alterations”的研究文章。该研究首次绘制了野生型和突变型异源四倍体花生系的3D基因组结构图,并联合其他组学分析了3D基因组结构差异的表观修饰和基因表达的变化。

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文章标题:Chromatin spatial organization of wild type and mutant peanuts reveals high-resolution genomic architecture and interaction alterations

发表时间:2021年11月16日

发表期刊:Genome BiologyIF: 13.583)

技      术:ATAC-seq、Hi-C、RNA-seq(爱基百客均可提供


摘要

作者首次绘制了野生型和突变型异源四倍体花生系矮杆突变体3D基因组结构图,展示了两者A/B区室、拓扑关联结构域(TADs)和广泛的染色质相互作用。花生大多数染色体臂52.3%具有活性区A区室),基因密度较高,转录水平较高。突变体中约2.0%的染色体区域由非活性变为活性(B变A),包含58个富含类黄酮生物合成和昼夜节律功能的差异表达基因。与野生型相比,突变花生系具有更高的全基因组顺式相互作用。该研究在突变株系中发现了一个新的TAD,该TAD产生不同的染色质环,并含有一个特定的上游AP2EREBP结合motif,该motif可能上调GA2ox基因的表达,降低活性赤霉素(GA)含量,可能导致突变体植株矮化。


小结:多组学联合分析的思路,该研究对野生型和矮杆突变体花生基因组三维结构和染色质可及性进行综合分析,揭示植物重要生物学过程中基因的多层次协调调控机制。


04 Hi-C与南荻

多年生芒属南荻基因组组装和分析


2021年4月28日,中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员韩斌课题组与中科院植物研究所北方资源植物重点实验室及系统与进化植物学国家重点实验室研究员桑涛课题组联合在期刊Nat CommunIF:14.919)发表题为“Chromosome-scale assembly and analysis of biomass crop Miscanthus lutarioriparius genome”的研究论文。该研究以多年生禾本科芒属南荻为研究对象,对其基因组进行测序和绘制。其中Hi-C技术是辅助基因组组装的。

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文章标题:Chromosome-scale assembly and analysis of biomass crop Miscanthus lutarioriparius genome

发表时间:2021年4月28日

发表期刊:Nat CommunIF: 14.919)

技       术:Hi-C、基因组测序(爱基百客均可提供

摘要

芒属多年生根茎植物,具有较高的生物量和抗逆性,蕴含巨大的生物能源生产潜力。基因组较大且重复序列含量高,南荻基因组一直被视为较难测序组装的复杂植物基因组。联合Oxford Nanopore测序和Hi-C技术,作者报道了一个染色体级别组装的南荻基因组,大小2.07Gb,覆盖全基因组的96.64%,contig N50为1.71 Mb。着丝粒和端粒序列分别组装到19条染色体和10号染色体。利用着丝粒卫星重复序列证实南荻的异源四倍体起源。串联重复的基因不仅功能富集于应激反应,还富集于细胞壁生物合成类。与抗病、细胞壁生物合成和金属离子转运相关的基因家族得到了扩张和进化。这些基因家族的扩张可能是南荻显著性状增强的重要基因组基础。


小结:南荻基因组较难测序组装,本研究中Hi-C技术用于辅助组装基因组。Hi-C技术在辅助组装一些大分子和复杂基因组已有不少成功案例了。


05 Hi-C与苹果果实

lncRNA调控苹果早期花素苷积累


2021年7月16日,北京农学院在期刊Plant CellIF: 11.277)发表题为The long noncoding RNA MdLNC499 bridges MdWRKY1 and MdERF109 function to regulate early-stage light-induced anthocyanin accumulation in apple fruit”的研究论文。该研究揭示了光诱导的lncRNA参与苹果果皮光照早期花青素色感积累的分子调控机制,并且发现了光诱导的调控花青素生物合成的MdWRKY1-MdLNC499- MdERF109级联。

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文章标题:The long noncoding RNA MdLNC499 bridges MdWRKY1 and MdERF109 function to regulate early-stage light-induced anthocyanin accumulation in apple fruit

发表时间:2021年10月11日

发表期刊:Plant CellIF: 11.277)

技       术:Hi-C(爱基百客均可提供

摘要

花青素色素有助于植物着色,是人类饮食中宝贵的抗氧化剂来源,它们是水果和蔬菜的组成部分。在苹果(Malus domestica)中花青素的产生已知是由光诱导的,然而,早期光诱导花青素生物合成的潜在分子机制尚不清楚。在该研究中,作者鉴定得到一个乙烯应答因子,ERF109,参与光诱导花青素生物合成,发现其通过直接结合花青素相关基因启动子来促进着色。β-葡萄糖醛酸苷酶报告分析和Hi-C测序显示一个lncRNA MdLNC499位于MdERF109附近,诱导MdERF109的表达。


MdLNC499启动子上有一个W-box顺式作用元件由转录因子MdWRKY1调控。重构一个MdWRKY1-MdLNC499-MdERF109转录级联进行苹果瞬时表达和苹果愈伤组织稳定转化,结果表明MdWRKY1由光诱导增加转录的MdLNC499激活,它反过来诱导MdERF109MdERF109蛋白诱导苹果着色前期花青素相关基因的表达和花青素的积累。这些研究结果为更好地理解光诱导苹果果实着色的各种调控机制提供了平台。


在研究中,为了确定MdLNC499在空间结构上是否靠近MdERF109,作者对苹果果实进行了Hi-C测序,结果显示MdERF109和MdLNC499位于交联信号较强的区域(下图)。

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在染色质水平上检测MdLNC499与MdERF109的相互作用。通过Hi-C分析组装苹果基因组,构建Hi-C图谱,分析MdLNC499与MdERF109的互作关系。红色区域表示基因组序列之间存在相互作用信号。

小结:在该研究中通过构建的Hi-C图谱确定lncRNA MdLNC499和MdERF109之间的互作。



06 Hi-C与药用植物罂粟

罂粟生物碱代谢途径的基因聚类和拷贝数变异

2020年3月4日卡尔加里大学生物科学系Sam Yeaman教授团队在期刊Nat CommunIF: 14.919)发表题为“Gene clustering and copy number variation in alkaloid metabolic pathways of opium poppy”的研究论文。该研究使用Hi-C来改进现有的组装基因组,并探索BIA通路基因的聚类模式、基因表达和拷贝数变异(CNV)。

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文章标题:Gene clustering and copy number variation in alkaloid metabolic pathways of opium poppy

发表时间:2020年3月4日

发表期刊:Nat CommunIF: 14.919)

技       术:基因组和转录组测序、Hi-C(爱基百客均可提供

摘要


植物次生代谢途径中的基因使一些重要的医学和工业化合物的生物合成成为可能,它们常常聚集在染色体上。在该研究中,作者研究了罂粟中苄基异喹啉生物碱(BIA)途径的基因组聚类,探索基因表达、拷贝数变异和代谢物产生之间的关系。作者利用Hi-C技术改善现有的基因组组装草图,产生了包含35个以前未锚定的BIA基因的染色体级别scaffolds。


作者发现BIA基因的共表达成群增加,并根据表达和生物碱生产中的聚类和共变异鉴定出功能未知的候选基因。关键BIA基因的拷贝数变异与生物碱生产的显著差异相关,将那可丁的产量与11个基因的缺失联系在一起,T6ODM群体的缺失增加二甲基吗啡/减少吗啡的产量。总的来说,作者的结果显示罂粟基因组仍在以促进医学和工业重要表型的方式动态进化。


小结:Hi-C对已有组装过的基因组进行改进,发现了新的功能未知BIA基因。


07 Hi-C与水稻

热胁迫下水稻基因组三维染色质结构的重组

2021年3月19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期刊BMC BiologyIF: 7.431)发表题为“Reorganization of the 3D chromatin architecture of rice genomes during heat stress”的研究论文。该研究揭示两种水稻品种间耐高温差异的染色质三维结构的动态变化。

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文章标题:Reorganization of the 3D chromatin architecture of rice genomes during heat

stress

发表时间:2021年3月19日

发表期刊:BMC BiologyIF: 7.431)

技       术:Hi-C、ATAC-seq、RNA-seq(爱基百客均可提供


摘要

基因组的三维空间组织在多种生物过程中对染色质的可及性和基因表达起着重要的作用,在应对环境胁迫时发生改变。然而,环境变化对作物空间基因组组织功能的影响尚不清楚。作者对两个重要的水稻品种(“日本晴”粳稻品种和“93-11”籼稻品种)进行Hi-C、ATAC-seq和RNA-seq测序,对热胁迫下染色质三维结构和可及性的动态变化进行研究


研究结果显示热胁迫影响不同水平的染色体结构,包括A/B区室转换、增加TADs的大小、失去短距离的互作。染色质结构的改变与染色质可及性和基因表达的改变有关。结果表明,“93-11”的基因表达和染色质可及性变化更动态,包括HS相关基因,与该品种HS耐受性较高的结果一致。


小结:Hi-C与其他组学联合分析热胁迫下不同水稻品种的基因三维结构和染色质可及性的动态变化。


08 Hi-C与马铃薯

2022年3月3日慕尼黑大学及马克斯·普朗克植物育种研究所的Korbinian


Schneeberger教授团队在期刊Nature genetics发表题为“Chromosome-scale and haplotype-resolved genome assembly of a tetraploid potato cultivar”的研究论文。该研究首次生成了一个复杂的四倍体马铃薯基因组,未来将有助于提高马铃薯的育种成功率。

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文章标题:Chromosome-scale and haplotype-resolved genome assembly of a tetraploid potato cultivar

发表时间:2022年3月3日

发表期刊:Nature GeneticsIF: 38.33)

技       术:Hi-C、single-cell sequencing(爱基百客均可提供


摘要


马铃薯是世界上最广泛生产的块茎作物。然而,重建其同源四倍体基因组的四个单倍型仍然是一个未解决的挑战。基于高质量的长reads、717个花粉单细胞测序和Hi-C数据,作者组装了一个3.1Gb能分辨单倍型(99.6%精确度)、染色体级别的马铃薯品种“Otava”基因组。由于近交,约50%的基因组是同源的,而20%的基因组发生了高度丰富的结构重排。在38214个基因中,只有54%存在于所有4个单倍型中,平均每个基因3.2个拷贝。以叶片转录组为例,11%的基因在至少一个单倍型中有差异表达,其中25%可能通过等位基因特异性DNA甲基化调控。该研究工作揭示了马铃薯的近代育种史及其四倍体基因组的功能组织,并有可能有助于未来的基因组辅助育种。


小结:由于其杂合子、同源四倍体基因组和高度的近交衰退,过去几十年马铃薯育种的成功率一直很低。在该研究中每个单倍型单独组装,并使用Hi-C将其搭建到染色体上。


Hi-C在植物方向的研究思路


结合选取的8篇植物方向的文章,Hi-C在植物方向的主要应用思路有2个:


1. 辅助基因组组装。Hi-C技术可以辅助基因组组装,尤其在一些复杂有难度的基因组上,可以改善现有的基因组发现新的功能基因,可以辅助单倍型基因组组装并已应用于多倍体上


2. 多组学联合分析。多组学联合分析一般是多样本,联合其他组学(ATAC-seq、ChIP-seq、RNA-seq)分析染色质三维结构变化下表观修饰和基因表达的改变。这个应用思路可以做物种进化分析、突变体分析、环境胁迫分析等,用于发现这些差异带来的转录调控变化机制。


小编带大家了解这些高分文章都做了哪些研究工作,解决了哪些科研问题。希望借由这些应用Hi-C技术的研究文章,给大家带来一些新思路。

爱基百客能够为各位老师提供Hi-C和表观组学的测序和分析服务,欢迎有相关需求的老师前来咨询!


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