隨著基因編輯科技的快速發展，植物再生效率低逐漸成為未來作物設計的瓶頸。植物芽再生一般分為兩個步驟：首先，離體植物組織（外植體，explant）在高生長素/細胞分裂素配比培養基（callus induced medium，CIM）上誘導愈傷組織（callus）形成，接下來在高細胞分裂素/生長素配比培養基培養基（shoot induced medium，SIM）上誘導芽的發生。先前的研究表明，細胞分裂是愈傷組織形成的先決條件。在高濃度生長素的作用下，外植體逐步實現從體細胞向多能性（pluripotency）幹細胞的轉變，獲得再生潜能。其中愈傷組織中間層細胞（middle cell layer）具有幹細胞特徵，處於未分化狀態。在芽誘導階段，細胞分裂素通過誘導莖尖分生組織特徵基因的表達，起始芽的從頭建立。過去十幾年的研究表明，芽的再生過程經歷了轉錄水准的大規模重塑，然而生長素和細胞分裂素如何在染色質水准依次調控外植體體細胞的命運轉變仍不清楚。
2022年1月20日，國際學術期刊Developmental Cell線上發表了中國科學院分子植物科學卓越創新中心王佳偉研究組題為“Dynamic chromatin state profiling reveals regulatory roles of auxin and cytokinin in shoot regeneration”的研究論文。該研究通過構建擬南芥芽再生過程的染色質狀態動態圖譜，揭示了生長素和細胞分裂素時序性調控外植體體細胞命運轉變，誘導細胞多能性產生，並進而實現芽再生的分子機制。相關研究成果加深了我們對植物細胞重程式設計原理的理解，也為提高植物再生效率提供了有用的靶標基因和順式元件（cis-element）。
研究人員首先對擬南芥芽再生過程多個時間節點的ATAC-seq、組蛋白修飾ChIP-seq和轉錄組數據進行綜合分析，構建了一張高精度的芽再生過程染色質狀態圖譜，將擬南芥基因組各個區段分別用15種不同的染色質狀態標記。結合公共資料庫的ChIP-seq數據，發現大多數轉錄因數結合基序主要富集在由ATAC-seq數據所注釋的染色質開放（open chromatin）區域。不同時間節點的染色質狀態轉變分析進一步表明，染色質開放區域的狀態轉換與細胞命運重塑密切相關，提示這些區域在再生過程基因表達調控中處於中心地位。
研究人員對染色質可及性數據進行深入挖掘，發現高生長素濃度的CIM環境不僅能够誘導細胞多能性基因座位的染色質開放，而且還能促進芽命運决定基因座位的開放。通過比較細胞分裂素訊號缺陷突變體arr與野生型的ATAC-seq數據，發現細胞分裂素訊號不僅决定了SIM階段芽祖細胞的形成，而且還在CIM階段維持了芽内容基因處於一種染色質開放的準備狀態。隨後，綜合順式作用元件動態分析，轉錄因數活性預測以及時期特异開放區域的鑒定，研究人員挖掘到一系列可能在芽再生過程中發揮作用的轉錄因數。最後，通過突變體錶型考察，發現BES1和JKD等參與調控芽再生的全新轉錄因數。綜上，這些研究成果為我們理解植物細胞重程式設計以及細胞命運轉變提供了全新的視角，還為提高植物芽再生效率提供了豐富的靶點。
中國科學院分子植物科學卓越創新中心博士研究生吳連宇（上海科技大學聯合培養生）和商冠東為論文第一作者，中科院分子植物科學卓越創新中心王佳偉研究員為通訊作者，王付祥博士、高健博士、碩博連讀生萬木春和徐洲更也參與了該研究工作。本研究得到國家自然科學基金委基礎科學中心項目和中國科學院戰畧先導B項目的資助。芽再生發育過程的轉錄組、染色質可及性、組蛋白修飾以及染色質狀態數據均可通過線上工具査詢（http://wanglab.sippe.ac.cn/Arabidopsis_callus_and_shoot_regeneration/）。
文章連結：https://doi.org/10.1016/j.devcel.2021.12.019
15種染色質狀態的注釋及不同染色質狀態與轉錄調節因數ChIP-seq的關聯性
通過染色質狀態轉變和順式作用元件分析挖掘再生重要轉錄因數的示意圖