梨是世界范圍廣泛栽培的重要果樹，歷史記載近3000年。梨屬植物多數為二倍體，具有典型的自交不親和性，主要分為亞洲梨和西洋梨兩大類群。2012年，‘碭山酥梨’首個基因組草圖發(fā)表，梨研究邁入基因組學時代。10多年來，研究人員已經在梨的群體選擇與馴化分析、全基因組關聯分析（GWAS）、數量性狀基因座表達關聯定位（eQTL）以及表觀組學等方面取得了一系列重要進展。近年來，隨著三維基因組學的發(fā)展，研究視角正由“線性序列差異”邁向“空間構象調控”。相比較，傳統基因組學主要回答“基因有哪些、序列差異在哪里”，而三維基因組學可以揭示“這些差異如何通過染色質空間構象影響基因表達，并最終塑造器官形態(tài)與生物學性狀”。目前，擬南芥、水稻、棉花、番茄、葡萄等物種已經構建了高質量的三維基因組，并在選擇馴化、熱激反應、干旱脅迫等方面取得了重要進展，而梨的三維基因組研究尚未有報道，染色質空間構象是否影響梨的重要性狀形成有待深入探索。

近日，吳俊教授團隊在Advanced Science發(fā)表了題為3D Chromatin Architecture Provides Insights into Leaf Trait Variation among Pear Species的論文，成功繪制了梨高分辨率三維基因組圖譜，并整合ATAC-seq、全基因組長讀長重測序、轉錄組測序和群體遺傳數據，系統解析了不同梨種質三維基因組結構的分化特征及其對重要性狀形成的影響。

研究通過對亞洲梨代表栽培品種‘碭山酥梨’、亞洲野生種杜梨和西洋梨栽培品種‘早紅考密斯’進行Hi-C建庫測序，構建高分辨率（5 kb）梨三維基因組圖譜，并通過比較分析發(fā)現梨不同種質三維基因組空間結構上存在顯著分化，這種差異涵蓋了從A/B區(qū)室到TAD結構變異等多個層級。其中，約22%的基因組區(qū)域存在A/B區(qū)室差異，約27%的區(qū)域出現TAD結構分化。進一步探究TAD結構分化的形成原因及差異TAD邊界附近基因的表達特征，基于全基因組長讀長重測序數據，系統鑒定了基因組結構變異（SV），并從TAD邊界信號強度、SV在TAD邊界區(qū)域的富集程度以及邊界發(fā)生SV時相關基因的表達變化等多個層面分析發(fā)現，種間結構變異與TAD邊界偏移密切相關，邊界附近基因普遍表現出顯著的差異表達，這一現象在亞洲野生杜梨與栽培品種‘碭山酥梨’之間尤為明顯；比較TAD邊界附近不同類型復制基因的表達水平發(fā)現，栽培梨中復制基因的整體表達水平顯著高于野生梨，其中36.48%—52.41%的全基因組復制（WGD）基因伴隨TAD分化，發(fā)生了表達偏移。

進一步基于65份亞洲梨和西洋梨群體數據以及葉片轉錄組數據，鑒定到234個與選擇馴化相關的基因和3,605個分化基因定位于TAD邊界，這些基因主要富集于葉片細胞發(fā)育等相關通路。有趣的是，在亞洲梨‘碭山酥梨’和西洋梨‘早紅考密斯’的差異TAD邊界處，鑒定到一個發(fā)生分化的轉錄因子PyYABBY，在模式植物中過表達該基因能夠促進葉片發(fā)育并影響葉片大?。▓D1），為揭示亞洲梨（葉片卵形或卵圓形、整體偏大）和西洋梨（葉片多呈卵形、近圓形至橢圓形，整體偏小）葉片形態(tài)和大小差異的遺傳基礎提供了依據。該研究進展標志著梨基因組學研究由線性序列解析進一步拓展至空間構象調控層面，為深入解析梨重要農藝性狀形成機制、從染色質結構維度認識基因調控網絡提供了新的理論框架和技術路徑，也為梨基因組學的分子育種應用提供了新思路。

圖1. ‘碭山酥梨’和‘早紅考密斯’表型差異、種間結構變異分析及基于種間差異TAD邊界對葉片發(fā)育調控基因PyYABBY的精準定位

南京農業(yè)大學博士研究生劉月園（現為安徽農業(yè)大學博士后）、碩士韓晨暉為該論文的共同第一作者，吳俊教授為通訊作者。同時，山東農業(yè)大學薛程、徐少卓、碩士魏唯，安徽農業(yè)大學孫滿意、薛雍松、楊廣艷、汪潤澤，南京農業(yè)大學李甲明共同參與了該項研究。研究工作得到了國家自然科學基金重點項目和青年項目、江蘇農業(yè)科技自主創(chuàng)新資金、國家梨產業(yè)體系、山東農業(yè)大學高層次人才科研啟動經費和中國博士后科學基金的資助。