全基因组加倍（WGD）是植物进化的重要驱动力。相较于基因组复杂的异源多倍体，遗传背景一致的同源多倍体为精确解析WGD的效应提供了理想体系。然而，连续的基因组加倍如何在全基因组尺度上重塑染色质结构，进而调控表型变异，是当前植物生物学领域的研究热点与难点。

近日，一项题为Autopolyploidization-Induced Chromatin Remodeling Regulates Leaf Size Variation in Brassica rapa的文章发表于《Advanced Science》（IF=14.1）。该研究以基因组小、曾经历全基因组三倍化的大白菜（Brassica rapa L. ssp. pekinensis）为研究对象，成功构建了遗传背景一致的单倍体、二倍体与同源四倍体系列材料，这些材料在结球性、叶形等性状上呈现显著差异。通过多组学分析，该研究系统阐明了连续两次WGD事件如何驱动染色质结构重塑、全基因组转录重编程及性状发育，为多倍体育种改良提供了新的理论基础。

主要研究结果

1、大白菜单倍体、二倍体及同源四倍体的表观基因组图谱

研究团队构建了遗传背景一致的单倍体（M）、二倍体（D）和同源四倍体（T）大白菜材料，发现叶片大小及形态存在显著差异。研究通过 ATAC-seq、ChIP-seq和RNA-seq 等多组学技术进行系统分析，发现二倍体与四倍体的表观遗传修饰特征高度相似，而与单倍体差异明显。绝大多数的表观遗传变化集中在单倍体向二倍体的转变过程中，说明多倍化引发的表观重编程具有非线性特征。

染色质状态分析显示，随着倍性增加，染色质可及区域的中位位置逐渐远离转录起始位点，远端调控元件的比例显著上升。这种调控元件向更远端基因间区域的迁移，揭示了多倍化过程中基因组三维结构与远程调控的动态重塑，是适应倍性变化的重要分子基础。

图1 单倍体、二倍体和同源四倍体白菜的动态表观染色质图谱

2、三倍化基因通过表观遗传重编程快速响应同源多倍化

白菜曾经历芸薹属物种特有的全基因组三倍化（WGT）事件，存在 LF、MF1和MF2三个亚基因组。因此，该团队进一步研究了这种亚基因组偏向性在同源多倍化后的情况，研究发现，LF亚基因组在所有倍性水平上均表现出更高的表达水平，且伴随着更强的染色质可及性、激活型组蛋白修饰以及更低的抑制性修饰，暗示亚基因组优势在多倍化早期阶段得以维持。

图2 基因组复制过程中的亚基因组再平衡

3、全基因组加倍通过H3K4me3和H3K27ac修饰调控转录组重编程

全基因组加倍（WGD）通过染色质表观遗传重排调控基因表达。研究发现，绝大多数差异表达基因与染色质可及性或活性组蛋白修饰的变化相关，其中大量基因同时受H3K4me3与H3K27ac协同调控。这表明同源多倍化通过重塑特定的组蛋白修饰，形成协同调控网络，从而实现对基因表达的精细调控，进而促进功能协调和基因组稳定性。

图3 在白菜基因组复制过程中，转录组变异与表观遗传修饰的改变有关

4、同源多倍化通过生长调控因子（GRF）介导的细胞增殖调控白菜叶片大小

为解析叶片发育的表观遗传基础，研究鉴定了单倍体与二倍体、二倍体与四倍体之间的差异 ACRs（diffACRs），发现同源多倍化引起的染色质可及性变化主要集中在单倍体向二倍体的转变阶段，并伴随基因间区开放程度的逐步增强。对这些区域的基序分析显示，乙烯响应因子、生长素响应因子及生长调控因子在差异染色质可及区域中显著富集。

在差异表达的转录因子中，GRF家族成员尤为突出，其大多数在二倍体中表达上调，并与激活型组蛋白修饰H3K4me3和H3K27ac呈正相关。其中，一个包含BrGRF6、BrGRF11和BrGRF13的亚家族是拟南芥叶片大小关键调控因子AtGRF3的同源基因。调控网络分析进一步提示GRF家族可能与HB33协同作用。这些结果表明，同源多倍化通过重塑染色质开放状态，特异性激活以GRF家族为代表的转录因子表达，从而通过促进细胞增殖来调控叶片等器官的大小。

图4 白菜基因组复制过程中GRF转录因子的激活

5、BrGRF13与BrARF11调控白菜结球过渡期的叶片形态变异

为进一步揭示调控叶片形态的关键因子，研究聚焦于从非结球单倍体到结球二倍体转变中表达上调的转录因子。其中，生长调控因子BrGRF13在二倍体中的高表达与叶片增大直接相关，转基因过表达实验证实其能显著促进叶片生长。与此同时，调控叶片极性的生长素响应因子BrARF11也在二倍体中呈现高表达。基因沉默实验表明，BrARF11的表达降低会导致叶片卷曲方向逆转，从而阻碍叶球形成。这些结果共同揭示，同源多倍化可能通过协同上调BrGRF13和BrARF11的表达，分别驱动叶片细胞增殖与极性建立，最终塑造出结球二倍体特有的叶片形态。

图5 BrGRF13调控叶片大小，BrARF11调控叶片极性

研究意义与展望

该研究通过构建统一遗传背景的多倍体系列材料，结合多组学分析和功能验证，揭示了同源多倍化过程中染色质重塑的非线性和阶段特异性特征，阐明了 H3K4me3和H3K27ac修饰协同调控转录组重编程的分子机制，鉴定了BrGRF13和BrARF11等调控叶片大小和极性的关键基因。这些发现不仅加深了我们对基因组加倍如何驱动植物表观遗传和表型多样性的理解，还为多倍体作物育种提供了重要的理论依据和基因资源。

参考文献：

Dong H, et al. Autopolyploidization-Induced Chromatin Remodeling Regulates Leaf Size Variation in Brassica rapa[J]. Advanced Science, 2025: e13558.