破譯棉花遺傳的“空間折疊密碼”

維染色質空間組織示意圖。受訪團隊供圖

　　如果把棉花DNA比作一根長線，傳統研究大多聚焦于長線上的一個個“點位”基因，無法看到DNA鏈條在細胞核內的折疊、纏繞，以及由此產生的基因調控過程。

　　在中國工程院院士張獻龍帶領下，華中農業大學教授王茂軍課題組發現“三維基因組結構是傳統DNA序列變異之外可供作物改良利用的新型靶標”，并在此基礎上破譯了棉花遺傳的“空間折疊密碼”，為拓展現有栽培棉的遺傳多樣性提供了新方向。

　　9月16日，相關研究成果在線發表于《細胞》。這是該刊歷史上首篇關于棉花的研究論文。

　　從點位到三維

　　何謂“棉花三維基因組研究”？通俗來講，DNA不只是線性的序列，它還會在細胞核內折疊盤繞。空間構型的變化能夠直接調控基因表達，進而左右棉花纖維的長短、品質。三維基因組研究則關注這根DNA鏈條如何在細胞核內折疊、纏繞，以此理解基因調控的內在邏輯。

　　對于為何十余年如一日聚焦這項研究，王茂軍介紹，棉花長期馴化和定向育種，在改善纖維品質的同時，也伴隨著栽培棉遺傳多樣性的下降，可利用的優異變異日益有限。因此，突破傳統線性DNA變異視角，厘清馴化選擇、遺傳變異、染色質結構重塑、基因表達及纖維品質之間的關系，是闡明纖維品質遺傳改良分子基礎的新切入點。

　　近3年，研究團隊利用涵蓋半野生-栽培棉群體的301份陸地棉種質，共獲得337套纖維發育的Hi-C數據，構建了棉花群體纖維的泛三維基因組圖譜，使馴化的相關染色質空間結構能夠在種質間進行比較和量化。

　　通過整合群體重測序、泛基因組結構變異和Hi-C數據，研究人員發現，序列變異在染色質拓撲結構域（TAD）重構位點顯著富集。然而，DNA序列并不能解釋全部的三維結構變化，例如群體中部分染色質重構伴隨染色質開放性或組蛋白修飾改變。這表明，除DNA序列差異外，不同棉花種質之間還存在多樣的空間調控差異。

　　傳統全基因組關聯分析雖然可以研究“哪些DNA變異與性狀相關”，卻很難解釋大量非編碼變異如何通過所處的核內空間結構影響基因表達和表型。為此，該研究開發了染色質互作組關聯分析方法CIWAS，將TAD邊界絕緣強度和染色質環互作強度作為可量化的分子性狀，進一步連接了基因型、基因表達和纖維品質。

　　鎖定59個三維結構特征

　　該研究篩選出與優異纖維相關的39個TAD邊界和20個染色質環，提供了潛在可用于纖維品質改良的三維結構靶標。CIWAS不僅能夠輔助識別傳統GWAS難以解析的調控信號，也使TAD邊界和染色質環等三維結構能夠被有效納入復雜性狀遺傳分析中。

　　研究團隊進一步將呈現群體分化的TAD邊界和染色質環，與基于序列定義的馴化選擇信號結合，鑒定出88個邊界和203個染色質環呈現純化選擇信號；再整合馴化選擇、三維結構和基因表達信息，鎖定了9138個相關表達基因，其中904個在栽培棉中上調的基因顯著富集于纖維發育過程。

　　基于具有明確功能的調控分化基因，他們構建了纖維馴化相關基因調控網絡，將三維結構分化、轉錄重編程與纖維發育關鍵通路聯系起來。由此，該團隊把棉花馴化的分子圖景，從線性序列選擇延伸至核內空間調控，從而揭示了DNA序列之外隱秘的“三維馴化印記”。

　　為進一步揭示三維結構形成的序列基礎，研究團隊利用深度學習模型和計算機飽和突變分析，從棉花基因組中鑒定出2701個可能影響三維結構的高效應片段。這些DNA序列可能承載著維持染色體空間折疊的信息。

　　總體而言，該研究將馴化選擇、遺傳變異、空間結構重塑與纖維性狀納入同一遺傳解析框架，再次印證三維基因組結構是傳統DNA序列變異之外可供作物改良利用的新型靶標，破譯了棉花遺傳的“空間折疊密碼”，為拓展現有栽培棉的遺傳多樣性提供了新的方向。

　　“接下來，我們希望不再只是描繪三維基因組圖譜，而是進一步理解哪些染色質空間結構可以被預測、被干預、被重塑，并最終讓這些隱秘的分子靶標服務于棉花纖維品質改良。”王茂軍說。

　　張獻龍則表示，這項研究既回應了基礎生物學問題，又對接了棉花產業發展需求，可謂一舉兩得。未來，他希望帶領研究團隊在此基礎上，開發提高棉花纖維品質的方法，并將其應用到棉花之外的更多作物上，助力農作物的精準遺傳育種，助推我國農業產業的提質增效。

　　相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.cell.2026.08.038