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周永锋课题组
Yong-feng Zhou lab
Yong-feng Zhou lab
| 题目 | Haplotype-Resolved 3D Genomic Landscapes and Their Impacts on Agronomic Traits in Grapevine |
| 中文 | 基于单倍型解析的三维基因组图谱及其对葡萄作物性状的影响 |
| 参考 | Peng Y, Zhou L, Fang X, et al. Haplotype‐Resolved 3D Genomic Landscapes and Their Impacts on Agronomic Traits in Grapevine[J]. Advanced Science, 2026: e21838. |
| 作者 | 彭艳玲, 周连柱, 方欣悦 |
| 通讯 | 周永锋, 王西平 |
| 期刊 | Advanced Science [2026-4-15 ] 博文来源 原文链接 文档查看 文章下载 |
| 简介 | 在无性繁殖作物中，单倍型之间的广泛差异使得转录调控变得复杂。然而，三维基因组组织对这些等位基因差异和农艺性状的贡献仍不清楚。在此，我们针对具有对比鲜明的浆果颜色和种子性状的葡萄品种，生成了单倍型分辨的三维基因组图谱，并将其与基因组、表观基因组和转录组数据相结合。我们发现，单倍型之间存在深刻的三维结构分歧，范围从大规模的A/B区室到拓扑关联结构域边界变异（18.53% ∼ 23.01%），这些差异已接近品种间的差异水平（18.74~21.62%）（p > 0.05）。驱动这些效应的一个关键机制涉及不同TAD状态（活性、非活性、异染色质）之间大规模的单倍型特异性转换，这种转换不对称地调节转录并改变局部DNA甲基化模式。重要的是，这些结构重排（包括TAD边界转移）与潜在的结构变异密切相关。关键的是，这一调控级联影响了关键的农艺位点：控制浆果颜色（如VvMYBA）和无籽性状（如VvSUS2）的基因被定位在品种特异性的TAD边界上，表现出存在/缺失变异和差异表达模式。我们的研究结果支持一个机制模型，其中分相的三维染色质结构和杂合的结构变异与关键农艺性状的调控密切相关，为加速无性繁殖作物的遗传改良铺平了道路。 |
| 封面 |
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葡萄等无性繁殖作物由于缺乏遗传重组和突变清除机制，在连续的无性生殖过程中，其基因组会不断积累结构变异（SVs）。克隆繁殖作物中SV的积累导致其基因组呈现高度杂合性，两条亲本单倍型在基因含量和调控景观上存在显著差异。事实上，我们前期的研究已经证实，这种高水平的SV负荷催生了大量的半合子基因（即仅存在于两条同源染色体其中之一的基因）；这些基因进而受到复杂的基因调控，表现出改变的表达水平和独特的表观遗传模式，从而影响果实发育等性状。然而，究竟是何种高层级调控机制将单倍型间的结构差异转化为决定性状的功能性变异，一直是理解克隆繁殖作物基因组功能的重大挑战。
近日，中国热带农业科学院/中国农科院农业基因组所周永锋团队联合西北农林科技大学园艺学院王西平教授团队在国际知名期刊Advanced Science发表了题为Haplotype-Resolved 3D Genomic Landscapes and Their Impacts on Agronomic Traits in Grapevine的研究论文。该研究通过构建单倍型解析的葡萄三维（3D）基因组图谱，结合表观基因组和转录组数据，系统揭示了染色质空间折叠差异对葡萄农艺性状的影响，为加速克隆繁殖作物的遗传改良奠定了重要基础(图1)。
研究团队针对具有不同果实颜色和种子性状的葡萄品种，利用单倍型解析技术发现，葡萄内部两套单倍型之间存在剧烈的3D空间结构分化。这种分化涵盖了从大规模A/B区室（A/B compartments）到拓扑关联结构域（TAD）边界变异（18.53%~23.01%）的各个层面。令人惊讶的是，单一植株内部单倍型间的3D结构差异程度，竟然与不同品种间的差异（18.74%~21.62%）相当。这一发现打破了传统认知，表明单倍型间的空间异质性是驱动基因表达多样性的核心力量。
图1 | 葡萄高度杂合基因组中的结构变异（SVs）通过塑造单倍型解析的3D基因组景观，协同表观修饰调控等位基因特异性表达，共同驱动了浆果颜色与无核性状的形成
在分子机制层面，研究揭示了一个由结构变异驱动的调控级联模型。研究发现，不同TAD状态（活跃型、失活型、异染色质型）之间存在大规模的单倍型特异性转换，这些转换非对称地调控了等位基因的转录并改变了局部DNA甲基化模式。关键在于，这些TAD边界的偏移等结构重排与底层的杂合SVs密切相关。通过这种空间维度的精密调控，原本线性的遗传变异被转化为功能性的表达差异。
更为重要的是，这种调控级联直接影响了核心农艺性状位点。研究发现，控制果皮颜色（如VvMYBA）和无核性状判定（如VvSUS2）的关键基因，恰好位于品种或单倍型特异性的TAD边界处，并表现出显著的存在/缺失变异（PAVs）和差异表达模式(图2)。这一结果强有力地支持了一个机制模型：即单倍型解析的3D染色质架构通过整合杂合SVs，实现了对关键农艺性状的精细调控。
图2 | 不同单倍型基因组间倒位区域、以及VvSUS2与VvMYBA核心性状基因周边的序列共线性特征及其关联的TAD空间结构
该研究不仅在理论上填补了克隆繁殖作物从结构变异到功能表型之间的认知空白，更在实践上为葡萄的精准设计育种提供了新思路。通过锁定这些受3D空间结构调控的等位基因差异，育种家可以更精准地筛选和改良优良性状，从而极大地加速无性繁殖作物的遗传改良进程。
中国农科院农业基因组研究所副研究员彭艳玲、博士后周连柱与西北农林科技大学联合培养硕士生方欣悦（已毕业）为论文共同第一作者，中国热带农业科学院周永锋研究员和西北农林科技大学园艺学院王西平教授为共同通讯作者。周永锋团队其他成员也为本研究做出了重要贡献。华南农业大学园艺学院廖毅教授对这项研究提供了宝贵的指导和帮助。本研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划及热带作物育种相关重点实验室项目支持。
相关文献：
Peng, Y., et al. （2026） Haplotype-resolved 3D genomic landscapes and their impacts on agronomic traits in grapevine.Advanced Science.
Ma, Z., et al. （2026） Population genomics reveals association of transposable elements variants with climatic adaptation in wild Amur grape.Nature Communications17（1）:3213.
Xiao, H. et al. （2025） Impacts of reproductive systems on grapevine genome and breeding.Nature Communications16（1）, 2031.
Peng, Y. et al. （2025） The genomic and epigenomic landscapes of hemizygous genes across crops with contrasting reproductive systems.PNAS122（6）, e2422487122.
Liu, Z. et al. （2024） Grapevine pangenome facilitates trait genetics and genomic breeding.Nature Genetics56, 2804-2814.
Wang, X. et al. （2024） Integrative genomics reveals the polygenic basis of seedlessness in grapevine.Current Biology34（16）, 3763-3777.
Xiao, H. et al. （2023） Adaptive and maladaptive introgression in grapevine domestication.PNAS120（24）, e2222041120.
Zhou, Y. et al. （2019） The population genetics of structural variants in grapevine domestication.Nature plants5（9）, 965-979.
Gaut, B.S. et al. （2018） Demography and its effects on genomic variation in crop domestication.Nature plants4（8）, 512-520.
Zhou, Y. et al. （2017） Evolutionary genomics of grape （Vitis viniferassp.vinifera） domestication.PNAS114（44）, 11715-11720.
原文链接：
http://doi.org/10.1002/advs.202521838