近日，华中农业大学棉花遗传改良团队研究成果以“Epigenomic and 3D genomic mapping reveals developmental dynamics and subgenomic asymmetry of transcriptional regulatory architecture in allotetraploid cotton”为题在Nature Communications发表。
研究开启了棉花DNA元素百科全书（ENCODE）计划，揭示了亚基因组三维空间结构和表观修饰状态在全生育期中的动态重塑特征，解析了亚基因组表达不对称的表观调控机制，探究了非编码功能元件在纤维品质改良过程中的遗传调控效应及其育种价值。
亚基因组分歧与异源多倍体植物重要性状形成和环境适应性相关。亚基因组表达不对称可能反映了亚组同源基因的功能分化，在细胞命运决定、发育和免疫等诸多生物学过程都能检测到。
异源四倍体陆地棉是由A和D基因组的两个二倍体祖先通过异源加倍形成，是当前全球种植面积最广的棉花栽培种，贡献95%以上纤维产量。研究团队长期致力于研究异源四倍体棉花亚基因组的演化分歧和对重要性状的协同调控机制。近三年，该团队解析了两个亚基因组动态协同调控纤维发育和品质形成的遗传机制，揭示了不同倍性棉花栽培种纤维品质平行育种选择的遗传共性和分歧，为从亚基因组水平开展优质棉花设计育种提供了理论支撑。
▲棉花全生育期同源基因偏向性/组织优势表达图谱
近年来，棉花功能基因研究和基因编辑技术发展非常迅速，为了全面破解棉花基因组序列的功能，在后基因组学时代开启棉花ENCODE计划意义重大。为了深化对棉花功能基因组的理解，解锁性状改良潜力，该研究以染色质三维结构、全局表观基因组状态和修饰为基础，对亚基因组同源基因在全生育期12个组织/发育阶段的转录偏向性变化和动态调控机制进行全面、深刻的解析。
▲棉花亚基因组多层级三维空间结构
研究发现，陆地棉中约70%的亚基因组同源基因可表现出亚基因组偏向性表达，其中组织优势表达基因的偏向性表达程度更为显著，暗示组织特异生物学过程可能面临更突出的选择压力。
为探究棉花全生育期亚组同源基因偏向性表达的表观调控机制，研究深度解析了棉花多组织的亚基因组多层级特征结构（从Mb到kb）特征。研究发现Dt亚基因组具有更频繁的组织间A/B compartment状态转换（23.29% vs 15.30%），反映出Dt亚组包含更广泛的组织特征区间。
此外，研究还创造性地提出了组织特异高活性TAD （TS-TADs），此类特征结构不仅表现出高转录活性，同时伴随高度活跃的sub-compartments状态，反映出染色质结构域呈现组织功能化的趋势。该研究发现约85%的TAD-like domains 边界在组织间保守，亚组间同源TAD-like domains 重排改变了约50%的同源偏向性基因对在TAD-like domains内部的相对位置，而其中约一半的基因位于TAD-like domains边界且偏向该亚组表达，说明亚基因组TAD-like domains重排可能是亚组同源基因表达分歧的重要因素。
▲棉花亚基因组表观调控分歧
该研究开发了预测ATAC-Seq数据支持的组织调控元件鉴定方法（PATREs），以染色质可及性区间为基础，进一步结合组蛋白修饰信号，用于预测棉花非编码区潜在功能元件。研究发现31.63%的潜在功能调控元件（CRE）表现出亚基因组同源性，同源基因启动子区域染色质开放性或转录因子结合基序差异都将影响同源基因偏向性表达。分析精细染色质空间结构染色质环（loop）发现loop长度、染色质非编码区活性和loop多步调控方式都具备影响靶基因转录活性的潜力。比较亚基因组loop网络发现亚组间同源CRE缺失、loop调控缺失和loop位点改变将影响同源基因偏向性表达。以上结果说明，亚组三维空间重排和染色质表观修饰状态差异是造成不同组织同源基因间受到非一致性调控的关键因素。
▲CRE驱动棉花纤维品质改良
结合陆地棉群体纤维动态发育（开花后4天（4 DPA）, 8 DPA, 12 DPA, 16 DPA, 20 DPA）转录组，该研究进一步评估了CRE用于聚合育种的潜力。基于CNV-QTL和SNP-QTL，探索了CRE数量和序列变异与纤维品质性状改良间的关联性。该研究发现7个CREs拷贝数增加正向推动纤维品质改良，其中包含一个同时调控多个性状的多效性CRE。基于单倍型分析发现有18个纤维相关的CREs尚未被育种充分利用，存在良好的聚合育种潜力。结合CREs遗传变异以及CREs与靶基因间的三维调控关系，推测CREs变异可能引起关键染色质三维调控关系重排，进而影响潜在候选基因对性状改良的驱动力。最后，该研究开发了可用于比较、检索、可视化等多功能的棉花ENCODE网站（http://cotten.hzau.edu.cn/），推动了棉花基因组的深度解析和功能基因组学的发展。
华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室博士后黄鲜晖、博士研究生王悦瑾和硕士研究生张赛男为该论文共同第一作者，王茂军教授为通讯作者，张献龙院士和朱龙付教授参与了该项研究。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-55309-4
近日，华中农业大学农业微生物资源发掘与利用全国重点实验室、湖北洪山实验室、动物科学技术学院、动物医学院申邦教授研究团队研究成果以“A Novel Nuclear Protein Complex Controlling the Expression of Developmentally Regulated Genes in Toxoplasma Gondii”为题在Advanced Science发表。研究解析了AP2XII-5复合物对弓形虫分化发育相关基因的表达调控作用与机制。
弓形虫（Toxoplasma gondii）是一种重要的人兽共患寄生虫，感染人和几乎所有温血动物，危害人类健康以及动物养殖效益。弓形虫具有复杂的生活史，包含多个发育阶段，帮助虫体在宿主间广泛传播。尽管已有研究发现弓形虫在不同发育阶段表现出显著不同的生命活动，如营养代谢、分裂模式、基因表达以及细胞器结构等，但对虫体如何精准调控其生命活动以确保分化发育和生活史顺利进行仍知之甚少。另一方面，干预虫体的分化发育进程是阻断其传播和设计新型防治策略的潜在手段。
研究团队通过多年的研究，发现了一个新型核蛋白复合物对弓形虫分化发育基因的表达有关键调控作用。该复合物由转录因子AP2XII-5、表观遗传调控因子MORC和HDAC3，以及一个新发现的核因子AIP1组成。在急性感染阶段，虫体以速殖子形式快速无性繁殖，AP2XII-5结合到发育相关基因的启动子区域，招募MORC、HDAC3等调控因子共同抑制这些目标基因的表达，AIP稳定AP2XII-5和MORC、HDAC3间的相互作用，这些因子协同作用从而防止与发育相关基因在无性繁殖期过早激活。当弓形虫进入有性生殖并开始裂殖子发育时，AP2XII-5的丰度减少，从而解除其对分化发育基因表达的抑制，允许虫体分化发育的顺利进行。
这一发现揭示了一个全新的核蛋白复合物在弓形虫分化发育中的关键作用，为理解弓形虫在不同发育阶段的精准基因表达调控提供了新视角，也为设计阻断弓形虫传播的疫苗与药物提供了新思路。
华中农业大学博士研究生薛丽兰为论文第一作者，申邦教授为论文通讯作者。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202412000
近日，水产学院李大鹏教授研究团队联合经济管理学院、中国科学院水生生物研究所研究成果以“Assessing Changes in China's Pond Water Quality From 1989 to 2020: Implications for Green Development in Aquaculture”为题在Reviews in Aquaculture发表。
研究系统综述了我国池塘养殖发展历史，分析了1989至2020年间池塘水质变化规律，综合评估了池塘水体健康状况，并结合相关政策和研究进展等阐明了影响池塘水质变化的潜在因素，证明了实施生态优先渔业方针对促进水产养殖业绿色高质量发展的有效性，为全球水产养殖业蓝色转型提供了中国成功经验。
中国作为水产养殖的发源地，自1989年至今养殖产量均位居世界首位。中华人民共和国成立以来，根据发展方针不同，我国渔业经历了“以捕为主”、“以养为主，养捕结合”和“生态优先，以养为主，养捕结合”的三个阶段。
▲图1.中国水产养殖业概况
池塘养殖作为主要养殖方式（图1），为我国国民优质动物蛋白和不饱和脂肪酸等营养物质的供给做出了巨大贡献。然而池塘养殖的快速发展给环境带来了一定程度的压力，如高密度集约化养殖造成的水质问题。
进入新时代以来，相关部门、科研院校和养殖单位等实施了多项改革举措、科学研究、技术革新，来促进水产养殖业绿色发展。如农业农村部等十部门于2019年联合印发《关于加快推进水产养殖业绿色发展的若干意见》着重强调了水产养殖的生态属性。
但目前缺少系统的数据分析来评估水产养殖的生态健康情况。因此，开展大范围、持续性的养殖水体水质监测，综合评价养殖活动对养殖水环境的影响，评估当前水产养殖业发展的生态效果，对未来优化渔业管理措施具有重要参考意义。
为此，研究团队通过Meta analysis评估了时间、空间、物种等尺度上池塘水环境变化趋势，并使用ARMA模型预测2035年池塘水体健康状况。
年际尺度分析表明1989年至2012年间池塘水质随集约化养殖的兴起而下降，同时夏秋养殖旺季池塘水质受损程度较高；2013年后池塘水体健康状况有所好转。
▲图2.中国水产养殖池塘CCME-WQI变化趋势
空间尺度分析表明养殖池塘CCME-WQI（水质综合评价指标，值越大表示水质越好）值呈现出由北向南、由东向西递增的趋势（图2）。
物种尺度分析表明，鱼类、甲壳类和软体动物等多类别混养池塘水质优于鱼类养殖池塘。
▲图3.中国养殖池塘水质受损情况与预测
模型预测结果显示，2035年池塘CCME-WQI值比2020年提高57%（图3）。通过分析养殖池塘水质驱动因素发现水质变化与管理政策、养殖方式、社会条件等密切相关，其中池塘养殖方式的转变是主要原因。
近年来，池塘工程化循环水养殖、多营养层次生态养殖、鱼菜共生等生态工程化养殖方式的应用推广，水产种业、营养饲料、病害防控、水质调控等科技的进步，以及基于生态优先的各种管理举措共同促使池塘养殖朝着绿色发展。纵观30多年的养殖池塘水质变化，基于国家生态文明建设总体布局，随着水产养殖业绿色发展政策实施、绿色养殖新技术和创新模式的发展推广，池塘养殖可以与自然环境和谐发展、相得益彰。相信在不久的将来，中国渔业生态环境将得到持续改善，水产养殖业也将迎来更加广阔的发展前景。
研究证实了我国生态文明理念、水产养殖生态优先和绿色发展原则对养殖池塘水体健康状况管理的有效性，也为全球实现水产养殖业绿色健康发展提供了实践依据。
华中农业大学水产学院博士研究生段元帅为论文第一作者，华中农业大学水产学院李大鹏教授、中国科学院水生生物研究所张志敏教授为论文共同通讯作者。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/raq.12997