aBIOTECH | 华中农业大学多维基因组团队绘制杂交水稻单倍型分辨三维基因组图谱并揭示RNAPII介导的等位基因调控机制

杂种优势是提高作物产量和适应性的关键生物学基础。二倍体杂交种水稻的细胞核同时容纳来自双亲的两套基因组，但两套同源染色体如何在三维空间中组织，以及这种空间组织如何影响等位基因表达，仍缺乏系统认识。已有研究表明，基因序列差异并非等位基因特异性表达（allele-specific expression，ASE）的唯一来源，染色质折叠所建立的远程调控联系也可能重塑转录输出。因此，在单倍型水平解析杂交作物的三维基因组，是理解双亲基因组协同调控及杂种优势分子基础的重要思路。

近日，湖北洪山实验室/华中农业大学欧阳维枝副研究员在aBIOTECH 发表了题为“Haplotype-resolved 3D genome maps reveal RNAPII-mediated allelic regulation in hybrid rice”的研究论文。该研究以曾经是全国推广面积最大的优良杂交水稻汕优63为材料，综合运用父母本分型的Bridge-Linker Hi-C（BL-Hi-C）、ChIA-PET（RNAPII）、ChIP-seq（RNAPII）和等位基因分辨率的RNA-seq数据，构建了杂交水稻单倍型分辨的三维基因组图谱。研究发现，母本与父本基因组在染色体尺度上总体保持对称，但在精细调控尺度上存在广泛的等位特异性RNAPII结合与染色质环；一侧单倍型更强的远端RNAPII结合可促进其与靶基因形成长程调控联系，并与相应等位基因的表达偏倚密切相关。

作者首先利用亲本间的单核苷酸多态性（SNP）信息对BL-Hi-C互作进行分相，结果显示母本和父本来源的互作总体均衡。染色体间互作在着丝粒附近较弱、并沿着向端粒的方向逐渐增强，同源染色体间的互作模式高度相似，并倾向于在细胞核中彼此靠近。进一步借助Dip-C和Hickit分析工具，作者在20 kb分辨率下重构了包含12条母本和12条父本染色体的水稻品种汕优63二倍体三维基因组结构。结果显示，各染色体形成清晰的染色体疆域；Chr01相对靠近细胞核中心，而转录活性较低的Chr11和Chr12更偏向核周。虚拟核切片还显示，水稻CpG位点在核内呈较为弥散的分布，这与动物细胞中常见的斑块状CpG岛格局不同（图1）。

图1. 杂交水稻汕优63单倍型分辨率三维基因组重构及染色体空间组织

在全基因组尺度上，母本和父本染色质互作图谱总体相似；但随着分辨率由50 kb提升至5 kb乃至2.5 kb，局部等位特异性互作逐渐显现。聚合峰分析（APA）进一步表明，母本特异性染色质环和父本特异性染色质环分别仅在对应单倍型中呈现明显富集，支持这些局部差异并非由测序深度或基因组距离造成。通过结合RNAPII ChIP-seq与等位基因分辨率的RNA-seq数据，作者在多个区域观察到单倍型特异的RNAPII结合、染色质环形成与相应的基因表达表达偏倚，说明整体相似的双亲三维基因组内部仍存在精细而广泛的局部结构不对称。

为直接解析活跃转录相关的等位特异性染色质三维互作，作者构建了高测序深度的RNAPII ChIA-PET图谱。结果显示，98.6%的PET属于染色体内cis-PET，其中母本-母本（M-M）与父本-父本（P-P）PET比例接近（48.5%和51.5%）。以父本ZS97基因组作为替代参考进行复核时，BL-Hi-C和RNAPII ChIA-PET的分型结果一致率分别达到97.23%和98.01%，证明分析结果对参考基因组选择具有较高稳健性。在3,406个可可靠分型的RNAPII峰中，430个呈显著单倍型偏倚，包括211个母本偏倚峰和219个父本偏倚峰；进一步分析鉴定到195个相应的单倍型偏倚染色质环，其中97个偏向母本、98个偏向父本，共关联521个基因（图2）。

图2. 等位分辨RNAPII ChIA-PET揭示广泛的单倍型偏倚RNAPII结合与染色质环

随后，作者将单倍型偏倚RNAPII环与分型的转录组数据整合分析。在301个等位特异性互作的基因中，64个（21.3%）表现出显著的ASE，并且多数基因表达偏倚的方向与更强RNAPII互作所属的亲本单倍型一致。作者展示了一个代表性位点，显示尽管两个等位基因的启动子附近均存在明显的RNAPII占位信号，母本单倍型远端调控区域更强的RNAPII结合仍可建立母本特异的长程染色质环，并伴随靶基因的母本偏向性表达，而父本单倍型缺乏相应远程联系，表达水平也较低。这一结果说明，仅考察启动子局部RNAPII占据并不足以解释等位基因表达差异，远端调控元件与启动子之间的三维联系同样是决定转录输出的重要因素（图3）。

图3. 单倍型偏倚RNAPII介导的染色质互作与等位基因表达偏倚相关

该研究从单倍型尺度系统刻画了杂交水稻双亲染色体的空间排布及转录调控联系，提出了“染色体尺度总体对称、局部调控尺度精细不对称”的三维基因组组织模式，并揭示了RNAPII介导的远程染色质互作与等位基因表达偏倚之间的联系。该工作建立了一套适用于杂交种植物的单倍型分辨三维基因组整合分析框架，为进一步解析作物杂种优势、环境响应和亲本来源调控差异的结构基础提供了重要资源，也为从三维基因组层面发掘可用于精准育种的调控元件提供了新思路。

该研究得到国家重点研发计划、湖北省重大专项及中央高校基本科研业务费专项资金的资助。华中农业大学博士研究生栾世平和高润昕为本文共同第一作者，欧阳维枝副研究员为通讯作者。团队李兴旺教授、阎加培研究员和Foda副教授提供了重要指导。

引用本文：

Luan S, Gao R, Chen G, Liu C, Li D, Xue Z, et al. Haplotype-resolved 3D genome maps reveal RNAPII-mediated allelic regulation in hybrid rice. aBIOTECH 2026:100080.

https://doi.org/10.1016/j.abiote.2026.100080

aBIOTECH已于2026年1月正式转至Elsevier以金色OA模式出版，最新投稿地址：

https://www.sciencedirect.com/journal/abiotech

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