華中農業大學博士后（現就職湖南農業大學）以第一作者身份在一區Top期刊上發表研究論文

近日，華中農業大學作物遺傳改良全國重點實驗室閔玲教授團隊在Advanced Science期刊上發表題為“Chromatin topology reconfiguration orchestrates thermotolerant male fertility via GhAL5 in cotton”的研究成果。華中農業大學作物遺傳改良全國重點實驗室已出站博士后李焱龍（現就職湖南農業大學）為第一作者、新疆農業科學院棉花所楊靜助理研究員與王為然副研究員（均為華中農業大學在讀博士生）為本文共同第一作者。閔玲教授和新疆農業科學院棉花所孔杰研究員為共同通訊作者。

該研究以極端耐熱品系“84021”和高溫敏感品系“H05”為材料，在花藥發育的三個關鍵時期（四分體期、絨氈層降解期、花藥開裂期）獲得了系統的RNA-seq、原位Hi-C、ATAC-seq和ChIP-seq數據。轉錄組分析發現，高溫下敏感材料“H05”表現出更劇烈的轉錄激活，尤其是上調基因比例顯著高于耐熱材料。通過共表達網絡分析鑒定到多個與熱脅迫響應的核心模塊。作為異源四倍體，棉花的At和Dt亞基因組間存在廣泛的同源基因。研究發現，耐熱材料“84021”在高溫脅迫下，更多同源基因對傾向于從“偏向表達”轉變為“平衡表達”，在敏熱材料“H05”中相反；在單細胞水平也發現同樣現象，在高溫敏感的絨氈層和小孢子等細胞類型中表達偏倚嚴重，而相對耐熱的表皮細胞等亞基因組表達相對平衡，說明亞基因組表達平衡與細胞耐熱性密切相關。

整合多組學分析發現，高溫脅迫驅動了棉花花藥三維結構的動態變換，主要觀察到耐熱材料“84021”在花藥開裂期傾向于A向B轉換（基因沉默趨勢），而敏感材料“H05”則呈現大量B向A轉換（基因激活趨勢），且At亞基因組的響應更為顯著；轉座子（TE）在動態TAD邊界處轉錄活躍，其活性與TAD邊界的形成和維持相關。有趣的是，高溫下耐熱材料能獲得更多包含同源基因對的“同源TAD”，這有助于同源基因的共表達，而敏感材料則呈現相反趨勢；將連接基因與非基因區的G-N環進一步分為G-ON（連接開放染色質區）和G-CN（連接關閉染色質區）兩類。發現敏感材料“H05”在高溫下具有更高比例的G-ON環，染色質環景觀過度激活，可能導致有害基因的過量表達，是其易發生雄性不育的重要原因之一。

通過整合三維基因組動態與共表達網絡，鎖定了一個Alfin-like家族轉錄因子基因GhAL5。在耐熱材料中，GhAL5穩定位于TAD邊界，且連接豐富的染色質環；而在敏感材料中，高溫脅迫驅動GhAL5從TAD內部遷移至邊界，伴隨染色質環的顯著增加與基因的劇烈誘導表達。Capture-C實驗證實了該位點在高溫下的染色質互作動態。在棉花中過表達GhAL5顯著增強了苗期耐熱性和高溫下的花粉活力，而RNAi干擾和CRISPR敲除株系則表現出熱敏感表型和極高的花粉不育率。將GhAL5在水稻中異源過表達，同樣能顯著提升水稻的耐熱性。在辣椒中的瞬時表達與基因沉默實驗也驗證了其功能的保守性。這表明GhAL5是一個具有廣譜應用潛力的“熱保護”基因。對GhAL5遺傳材料的三維基因組分析發現，GhAL5 RNAi株系在高溫下發生了更廣泛的B向A區室轉換，模擬了敏感材料的異常激活狀態，而過表達株系則維持了更穩定的基因組拓撲結構。這表明GhAL5可能通過“穩定TAD邊界、防止染色質異常解壓縮”和“通過其PHD結構域識別組蛋白修飾、調控增強子-啟動子環化”的雙重機制，協調三維基因組重排以保障轉錄穩態。

GhAL5正向調控棉花耐熱性