9月16日，华中农业大学棉花团队王茂军教授课题组在国际学术期刊《细胞》（Cell）在线发表题为 ″3D chromatin remodeling during domestication defines novel targets for crop improvement″ 的研究论文。
该研究打破了农作物育种只看″基因序列″的传统局限，首次发现染色体三维空间结构是棉花品种改良的全新靶点，填补了棉花育种的理论与技术短板，为丰富棉花种质遗传资源、培育优质高产棉花新品种，开辟了全新的科研方向。
首次将三维结构纳入复杂性状分析体系
当下基因组学研究迎来两大核心变革：从单一基因研究升级为群体基因研究，从平面的一维基因解读进阶到立体的染色体三维结构解析。但长期以来，科学界一直未能系统厘清：染色体的立体结构如何影响农作物的生长特性与品质。
在数千年的人工培育过程中，人类持续定向选育纤维更长、品质更好的棉花品种，让现代栽培棉的纤维品质大幅提升。但长期的定向选育也带来了明显弊端：栽培棉的基因类型越来越单一，遗传多样性持续流失，可用于品种改良的优质基因资源越来越少。想要突破这一育种瓶颈，必须跳出传统一维基因研究思维，理清人工驯化、基因变异、染色体立体结构、基因活性和棉纤维品质之间的完整关联机制。
图1 棉花驯化三维基因组解析整体框架
研究团队选取301份涵盖半野生、人工栽培的陆地棉种质资源，针对棉花纤维发育过程，完成了337套高精度染色质空间结构数据采集，成功搭建出棉花群体纤维泛三维基因组图谱。这一图谱，让科研人员可以直观对比不同棉花品种的染色质立体结构，还能对驯化过程中的结构变化进行精准量化分析。
图2 遗传变异与棉花三维结构重构的群体分析
传统的基因分析技术，只能简单筛查出哪些基因变异会改变棉花性状，却无法解释大量非编码DNA序列的作用机制。事实上，很多基因并非直接发挥作用，而是通过染色体的空间折叠、结构重塑，间接调控基因表达，最终影响棉花长势与纤维品质，这也是棉花优质性状改良难以突破的关键卡点。
针对这一难题，研究团队自主研发出全新的染色质互作组关联分析方法CIWAS。研究人员把抽象的染色体结构（TAD）边界、染色质环的作用强度，转化为可量化、可分析的科研数据，成功搭建起″基因变化—基因表达—纤维品质″的完整关联体系。借助这套新方法，团队成功筛选出39个优质TAD边界、20个核心染色质环，这些三维结构位点，都是改良棉纤维品质的全新优质靶点。CIWAS技术不仅能捕捉传统技术无法识别的基因调控信号，也首次将TAD边界、染色质环等染色体三维结构正式纳入作物复杂性状的育种分析体系。
揭示″三维驯化印记″
通过多维度对比分析，研究发现半野生棉和人工栽培棉的染色体三维结构差异显著。经过长期人工定向选育，栽培棉的染色体结构变得更加规整、稳定，可塑性大幅降低；而保留原始特性的半野生棉，染色体结构更加灵活多变，蕴藏着大量未被人类开发利用的优质育种资源。
图3 CIWAS框架解析纤维品质相关三维结构位点
研究进一步筛选出受人工驯化影响的三维结构位点，锁定88个TAD边界、203个染色质环为核心驯化位点，最终定位到9138个与棉花生长、纤维发育密切相关的基因。其中904个核心基因能显著促进棉纤维发育、提升纤维品质。基于这些关键基因，研究团队构建出完整的棉花纤维驯化调控网络，揭示了染色体结构变化、基因转录调控与纤维发育的内在关联。这也证实，棉花的人工驯化不止是基因序列的细微改变，更是细胞核内立体空间结构的隐性重塑，隐藏在基因序列之外的″三维驯化印记″由此被揭示。
图4 棉花驯化驱动的三维结构分化与纤维发育调控网络重塑
我们广泛种植的陆地棉是异源四倍体作物，拥有At和Dt两套独立的亚基因组，存在大量功能相近的同源基因。长久以来，科学界一直困惑：为何这些功能相似的基因，在棉花体内的活跃程度却天差地别。本次研究给出了答案：染色体三维结构、表观遗传状态、基因调控的差异，共同决定了同源基因的活性分配。
研究数据显示，半野生棉与栽培棉之间有1619对同源基因存在表达差异，其中超半数的差异都源于染色体三维结构重塑。人工驯化并没有改变基因本身的功能，也没有重新分配两套基因组的工作角色，而是持续强化了基因原本的活性差异，让两套基因组的功能分化愈发显著。这一发现，揭示了三维基因组结构在棉花驯化、基因调控、品种分化中的重要价值。
鉴定调控三维结构形成的关键序列
为探明染色体三维结构的形成根源，团队结合深度学习模型与大数据突变分析，鉴定出2701个能够影响棉花染色体空间折叠状态的核心DNA片段。研究证实，棉花驯化过程中的关键基因变异，大多集中在这些核心片段上，DNA序列的细微改变，是驱动染色体立体结构重塑、适配人工育种需求的关键纽带。
图5 棉花基因组三维结构形成的序列基础
同时，团队锁定了调控棉花染色体结构的关键蛋白因子。在众多调控蛋白中，C2H2锌指蛋白家族作用最为关键，其中YY1蛋白是维持染色体结构稳定的核心。实验证明，一旦YY1蛋白功能缺失，棉花成熟纤维会明显变短，超八成TAD边界、超六成染色质环的结构稳定性会大幅下降。跨物种对比研究表明，YY1蛋白调控植物染色体三维结构的机制具有普遍性，是植物界保守的调控因子。
为棉花精准育种开启全新维度
本次研究实现了棉花三维基因组研究的跨越式突破，将原本仅用于基础研究的基因组图谱，转化为可量化、可关联、可预测的实用育种工具，把TAD边界、染色质环等三维指标，正式纳入棉花品质改良的核心研究对象。
该成果为棉花精准育种开启了全新维度。未来，科研人员可深度挖掘野生棉花种质及现有种质中沉睡的优质空间调控资源，有效解决栽培棉遗传多样性不足的问题；同时可通过精准编辑染色体结构位点、核心调控片段，优化棉花两套基因组的功能平衡，减少育种冗余损耗。这意味着，棉花育种正逐步从″改良基因″的一维时代，迈入″重塑空间结构″的立体时代，为棉花及多倍体农作物的品种创新、品质升级，奠定了全新的理论基础，提供了新型育种靶点。
论文链接：
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(26)01011-1
来源: 华中农业大学