植物ATAC-seq怎么做？— 非生物胁迫篇

摘要：ATAC-seq（Assay for Transposase-Accessible Chromatin Sequencing，转座酶染色质可及性测序），可绘制全基因组范围内染色质可及性图谱，该技术可以识别基因调控区域（如启动子、增强子等），从染色质开放性维度揭

什么是ATAC-seq

ATAC-seq（Assay for Transposase-Accessible Chromatin Sequencing，转座酶染色质可及性测序），可绘制全基因组范围内染色质可及性图谱，该技术可以识别基因调控区域（如启动子、增强子等），从染色质开放性维度揭示基因的表观遗传调控特征，是目前研究染色质开放性的首选技术。

ATAC-seq在植物研究中具有巨大应用潜力

基于GEO、PubMed等已发表ATAC-seq研究物种统计，植物相关ATAC-seq研究占比不足10%，在植物ATAC-seq研究中，模式生物拟南芥相关研究占比50%。总而言之，ATAC-seq技术在植物研究中具有巨大应用潜力。

图：基于GEO、PubMed数据库统计的ATAC-seq相关研究分布

ATAC-seq + X — 多组学联动研究价值

ATAC-seq为从染色质可及性角度理解生物学机制提供了新的视角，它可以与各种组学方法相结合：

（1）与RNA-seq联用：明确非生物胁迫处理后，染色质可及性和转录均发生显著变化的基因；

（2）与RNA-seq+ChIP-seq/CUT&Tag联用，识别功能性顺式调控元件，验证转录因子在开放染色质上的结合作用；

（3）与Hi-C联用，解析染色质三维结构与功能开放区域的关联。

ATAC-seq+RNA-seq植物非生物胁迫方向研究思路

图：ATAC+RNA常见多组学分析研究思路，点击查看大图

ATAC-seq相关研究的常见验证方法

表：ATAC-seq研究常见验证方法，点击查看大图

围观高分植物ATAC-seq非生物胁迫研究怎么做？

案例1：番茄耐寒性调控机制

Loss of cold tolerance is conferred by absence of the WRKY34promoter fragment during tomato evolution

发表期刊：Nature Communications

发表时间：2024年8月

影响因子：14.7

应用组学：ATAC-seq、RNA-seq

样本选择：对照 & 冷胁迫处理的番茄叶片

自然进化导致栽培番茄（Solanum lycopersicum）耐寒性降低。本研究整合ATAC-seq和RNA-seq多组学技术，对冷敏感型栽培番茄和耐寒型野生番茄（S. habrochaites）进行分析，发现低温胁迫下，转录因子WRKY34的染色质可及性和基因表达均发生显著变化。

进一步研究发现，‌WRKY34启动子区域存在60 bp的InDel，导致在376个番茄种质中基因表达和耐寒性存在差异。该60 bp的InDel包含一个GATA顺式调控元件，通过酵母单杂、酵母双杂、Co-IP等实验综合验证了SWIBs和GATA29蛋白可以与之结合，二者协同抑制低温胁迫下WRKY34的表达。

此外，WRKY34通过调控转录和蛋白水平干扰CBF低温胁迫响应通路。这一发现揭示了顺式调控元件的多态性对作物进化中的染色质结构和基因表达的影响。综上，在番茄进化过程中，WRKY34启动子片段的缺失直接导致耐寒性的丧失。

图：WRKY34介导的番茄耐寒性模型

案例2：苹果耐旱性调控机制

The chromatin remodeller MdRAD5B enhances drought tolerance by coupling MdLHP1 mediated H3K27me3 in apple

发表期刊：Plant Biotechnology Journal

发表时间：2024年3月

影响因子：11.2

应用组学：ATAC-seq、RNA-seq、ChIP-seq

样本选择：RNAi株系 & 野生型，干旱胁迫处理

RAD5B‌属于SNF2家族的Rad5/16-like亚群，该家族通常参与染色质重塑。然而，RAD5B是否在染色质重塑、组蛋白修饰及干旱胁迫耐受中发挥作用尚不明确。

本研究发现了一种干旱诱导的染色质重塑因子‌MdRAD5B‌，它正向调控苹果的耐旱性‌。通过‌ATAC-seq‌和RNA-seq发现，MdRAD5B在干旱胁迫下影响466个干旱响应基因的表达和染色质可及性。进一步，通过酵母双杂、双分子荧光互补、Co-IP等实验综合验证了MdRAD5B和MdLHP1‌的相互作用，并通过‌泛素非依赖的20S蛋白酶体途径‌降解MdLHP1‌。ChIP-seq‌表明，MdRAD5B调控615个基因的H3K27me3组蛋白修饰以响应干旱胁迫‌。遗传互作分析进一步揭示，MdRAD5B通过MdLHP1介导干旱响应基因的H3K27me3组蛋白修饰，从而引发这些基因在干旱胁迫下的表达变化‌。

研究结果阐明了MdRAD5B在苹果干旱响应中调控基因表达的‌双重功能‌，即通过染色质重塑和H3K27me3修饰协同作用‌。这一发现为植物表观遗传调控与逆境适应的分子机制提供了新见解‌。

图：MdRAD5B在干旱胁迫下影响干旱响应基因的表达和染色质可及性

案例3：马铃薯干旱和高盐胁迫响应调控机制

Comprehensive transcriptional regulatory networks in potato through chromatin accessibility and transcriptome under drought and salt stresses

发表期刊：Plant Journal

发表时间：2025年3月

影响因子：6.2

应用组学：ATAC-seq、RNA-seq

样本选择：对照组 & 干旱胁迫、高盐胁迫的马铃薯叶片+根

干旱与高盐胁迫‌对马铃薯的生长发育具有显著负面影响。然而，马铃薯不同组织和器官在不同胁迫时长下响应干旱与高盐的分子机制尚不明确。本研究结合ATAC-seq和RNA-seq技术，绘制了马铃薯响应不同胁迫的‌全基因组转录调控热点图谱，并构建了不同胁迫类型、胁迫时长及组织特异性下的‌独特与共享转录调控网络‌‌。结果表明，干旱和盐胁迫下‌染色质可及性与基因表达变化呈现相反趋势‌。根部特异性转录调控网络在‌48小时胁迫‌下的复杂程度显著高于‌3小时胁迫‌和叶片组织，且仅在‌根部共有的转录调控网络中存在干旱与盐胁迫调控表达不一致的基因，揭示了马铃薯在不同组织和处理时间下胁迫响应的变异性‌。

这些结果为解析马铃薯对干旱或盐胁迫的‌特异性响应机制‌以及对二者的‌共同响应机制‌提供了分子基础‌。研究不仅阐明了转录调控网络的时空动态特性，也为作物逆境适应能力的遗传改良提供了新视角‌。