トウモロコシの初期花序発生の制御ランドスケープ

The regulatory landscape of early maize inflorescence development.

• Rajiv K Parvathaneni
• Edoardo Bertolini
• Md Shamimuzzaman
• Daniel L Vera
• Pei-Yau Lung
• Brian R Rice
• Jinfeng Zhang
• Patrick J Brown
• Alexander E Lipka
• Hank W Bass
• Andrea L Eveland

抄録

背景:

農学的に重要な植物種の機能的ゲノムは、まだほとんど解明されていませんが、目標とする作物改良のための実質的に手つかずの資源となっています。クロマチンアクセス性のプロファイルから明らかになった制御DNAの機能的要素を利用して、特定の環境下で最適な表現型になるよう遺伝子発現を微調整することができます。

BACKGROUND: The functional genome of agronomically important plant species remains largely unexplored, yet presents a virtually untapped resource for targeted crop improvement. Functional elements of regulatory DNA revealed through profiles of chromatin accessibility can be harnessed for fine-tuning gene expression to optimal phenotypes in specific environments.

結果:

ここでは、花粉や穀物を含む花序の生殖初期発生期におけるトウモロコシ（Zea mays）ゲノムのノンコーディング制御空間を調査している。マイクロコッカルヌクレアーゼ（MNase）消化に対するクロマチンの感受性の違いを調べるアッセイを用いて、これらの主に未分化な組織におけるアクセス可能なクロマチンとヌクレオソームの占有率をプロファイルし、ゲノムの少なくとも1.6％をアクセス可能なものとして分類した。このアプローチは、フットプリントレベルの分解能で制御要素をマッピングする。相補的なトランスクリプトームプロファイルと転写因子占有データを統合することで、コンビナトリアル転写因子結合モチーフや長いノンコーディングRNAなど、雄花序構造と雌花序構造の間の組織特異的な制御など、器官形成に寄与する可能性のある制御因子をアノテーションすることができる。最後に、MNase過敏症によって定義された機能領域のみに基づいた花序構造形質のゲノムワイドな関連付け研究により、既知の花序発生制御因子や新たな候補のSNP-traitの関連付けが明らかになった。

RESULT: Here, we investigate the non-coding regulatory space in the maize (Zea mays) genome during early reproductive development of pollen- and grain-bearing inflorescences. Using an assay for differential sensitivity of chromatin to micrococcal nuclease (MNase) digestion, we profile accessible chromatin and nucleosome occupancy in these largely undifferentiated tissues and classify at least 1.6% of the genome as accessible, with the majority of MNase hypersensitive sites marking proximal promoters, but also 3' ends of maize genes. This approach maps regulatory elements to footprint-level resolution. Integration of complementary transcriptome profiles and transcription factor occupancy data are used to annotate regulatory factors, such as combinatorial transcription factor binding motifs and long non-coding RNAs, that potentially contribute to organogenesis, including tissue-specific regulation between male and female inflorescence structures. Finally, genome-wide association studies for inflorescence architecture traits based solely on functional regions delineated by MNase hypersensitivity reveals new SNP-trait associations in known regulators of inflorescence development as well as new candidates.

結論:

これらの解析により、主要な穀類作物の花序分化の過程で、最終的にアーキテクチャを形成し、収量ポテンシャルに影響を与えるシス制御の状況を包括的に調べることができます。

CONCLUSIONS: These analyses provide a comprehensive look into the cis-regulatory landscape during inflorescence differentiation in a major cereal crop, which ultimately shapes architecture and influences yield potential.