近日，河北农业大学蔬菜遗传育种团队与中国农业科学院作物科学研究所小麦基因组学与应用团队，在顶级期刊Advanced Science(IF 14.1)上发表了题为“Autopolyploidization-Induced Chromatin Remodeling Regulates Leaf Size Variation in Brassica rapa”的研究成果。该研究以白菜(Brassica rapa)为研究对象，构建不同倍性的（单倍体、二倍体、四倍体）材料，通过整合ATAC-seq、ChIP-seq和RNA-seq等多组学技术，成功揭示了单倍体到四倍体连续两次全基因组复制过程的染色质动态景观。中国农科院作科所重大平台中心利用真迈SURFSeq 5000平台为本研究中的三种独立单倍体基因型、三种独立二倍体基因型及一种四倍体基因型提供了高质量的RNA-seq测序数据，为后续深入分析奠定了坚实基础。
全基因组复制是植物进化与驯化的核心动力之一。许多重要农作物，如小麦、棉花、油菜等，都是多倍体。它们往往展现出更优的形态、更强的抗逆性。然而，多出的整套基因组，究竟是如何“工作”，并最终转化为我们肉眼可见的优良性状呢？传统理论曾将其归因于基因剂量的简单增加。但越来越多的证据表明，多倍化引发的是一场波及全基因组的“表观遗传风暴”。染色体数目倍增带来的“基因组冲击”，会迫使细胞对染色质的开放状态、组蛋白的化学修饰进行大规模重组，进而像拨动开关一样，系统性改变成千上万个基因的表达程序。
此前，研究多倍体效应常受不同遗传背景的干扰。而本研究构建的单倍体-二倍体-同源四倍体白菜系列材料，如同一组“纯净”的对照实验，让科学家得以清晰剥离出“染色体套数”这一单一变量带来的纯粹影响。
主成分分析(PCA)显示，二倍体与四倍体的表观遗传状态高度相似，但与单倍体显著分离。61–98%的表观遗传变化发生在从单倍体到二倍体的过渡阶段，而从二倍体到四倍体的变化仅占2–12%，表明多倍化效应存在强烈的“阶跃性”而非线性累积。随着倍性增加，染色质可及区域(ACRs)的中位距离从基因转录起始位点(TSS)逐渐增大（单倍体3,246 bp → 二倍体4,267 bp → 四倍体4,792 bp）。这代表远端调控元件(dACRs)的比例显著提升（单倍体→二倍体+7.63%，二倍体→四倍体+4.42%），表明多倍化倾向于通过拓展基因的远程调控网络来重编程基因表达。活跃标记H3K27ac在基因间区域的丰度有所增加，但其变化幅度小于染色质可及性。值得注意的是，H3K27ac的增加与抑制性标记H3K27me3的减少相关性较低，提示在多倍化过程中，这两种修饰的调控具有相对独立性。这些结果表明，在人工诱导的自多倍体化过程中，远端调控元件可能表现出更大的变化，反映了基因组的动态调控特性。
在全部46,479个蛋白编码基因中，共鉴定到4,550个差异表达基因。其中，高达3,246个基因在单倍体与二倍体之间差异表达，而二倍体与四倍体之间仅85个。这表明全基因组复制引发的转录组重构主要发生在从单倍体到二倍体的过程中。表达上调的基因（在二倍体/四倍体中更高）主要富集于核糖体生物合成等基础细胞过程；而下调的基因（在单倍体中更高）则富集于光合作用相关通路，这或与不同倍性植株的形态和代谢需求转变相关。与单拷贝和双拷贝基因相比，“one-to-three”基因，其差异表达的比例显著更高。这些基因更易在多倍化后发生表达分化，是产生新功能或功能特化（新功能化/亚功能化）的关键遗传储备。在多倍化进程中，源自祖先基因组不同区块的三个亚基因组(LF，MF1，MF2)始终维持着以LF亚基因组为主导的表达模式。LF上的基因普遍具有更高的染色质可及性及活跃的组蛋白修饰(H3K4me3，H3K27ac)。这一“亚基因组主导”现象在多倍化前后保持稳定，说明其是一种深层的、已固化的基因组调控架构。
活跃的组蛋白修饰是连接染色质开放与基因表达激活的核心桥梁。在H3K4me3，H3K27ac和染色质可及性三者中，H3K4me3修饰水平与差异基因的表达变化相关性最高，表明其在多倍化诱导的转录调控中占据中心地位。
研究进一步发现染色质变化与叶片大小与卷曲相关。通过分析多倍化过程中发生变化的染色质可及区域(diffACRs)，发现其显著富集于生长调节因子(GRF)、生长素反应因子(ARF)和乙烯反应因子(ERF)等家族转录因子的结合基序。提示这些因子是响应多倍化信号、调控发育程序改变的关键执行者。在229个差异表达的转录因子中，GRF家族成员被显著激活。其中，16个GRF基因在二倍体中的表达高于单倍体，其表达水平与启动子区的H3K4me3和H3K27ac修饰增强正相关。系统发育分析显示，其中BrGRF6，BrGRF11和BrGRF13与拟南芥中已知调控叶片大小的AtGRF3同源。在拟南芥中过表达BrGRF13，可导致叶片长度和宽度增加30%-50%，直接证明了该基因在促进细胞增殖、增大叶片方面的核心功能。利用病毒诱导的基因沉默(VIGS)技术降低白菜中BrARF11的表达后，叶片出现异常的背面卷曲表型。这与二倍体白菜在结球期叶片向正面（近轴面）卷曲以形成叶球的正常过程相反，证实BrARF11是控制叶片极性发育、影响结球性状的关键因子。
图4 染色质重塑“锁定”调控叶片大小的关键转录因子
本研究通过构建遗传背景一致的多倍体系列并结合多组学分析，系统揭示了同源多倍化驱动性状创新的完整分子链条：
1.非线性与阶段性：全基因组复制引发的染色质与转录组重编程并非线性累加，而是一个高度阶段性的过程，其中从单倍体到二倍体的首次加倍是产生剧变的“敏感窗口”。
2.调控维度拓展：多倍化不仅增加基因剂量，更本质的是引发染色质三维结构的系统性重塑，特别是大量远端调控元件的产生与激活，从根本上拓展了基因的表达调控维度与复杂性。
3.关键因子驱动表型：染色质重塑最终通过精准激活一系列核心转录因子（如BrGRF13和BrARF11）来调控下游发育程序，分别控制细胞增殖（叶片大小）和器官极性（叶片卷曲），从而直接导致可见的表型变异。
Dong H, et al. Autopolyploidization-Induced Chromatin Remodeling Regulates Leaf Size Variation in Brassica rapa[J]. Advanced science, e13558.