Nature Communications—涂晓雨团队与合作者发文揭示植物光合作用关键基因GLK调控网络1亿年的演化博弈

顺式作用元件一度被视为无生物功能的“垃圾DNA”。随着ENCODE和modENCODE计划的推进，人们发现非编码的顺式作用元件对动物转录调控进化与形态多样性具有重要意义。但是，植物顺式作用元件的发育与进化动力学尚未得到充分研究。同时，伴随许多农作物基因组和表型资源可用性大幅提升，进化生物学研究将有助于指导选择有效的育种策略。

2022年12月09日，上海交通大学农业与生物学院涂晓雨团队与香港中文大学钟思林团队合作在Nature Communications杂志发表了题为“Limited conservation in cross-species comparison of GLK transcription factor binding suggested wide-spread cistrome divergence”的研究论文。在全基因组水平上，跨物种研究了GOLDEN 2-LIKE（GLK）转录因子在番茄、烟草、拟南芥、水稻和玉米中的调控机制。这一类植物特有的转录因子，曾一度被认为在植物生长发育所有阶段都高度参与了叶绿体的生物合成。令人意外的是，本研究发现尽管GLK的生物学功能是保守的，但大部分结合位点呈现物种特异性（图1）。

图1. 植物进化过程中GLK调控的多样性

随后，另一个问题接踵而至：GLK结合位点在物种间的巨大差异是由基因组序列（顺式作用元件）变异，还是转录因子蛋白（反式作用因子）变异引起的？研究将玉米GLK1超表达入拟南芥，通过鉴定其在异源基因组中的结合位点，发现顺式作用元件非但被低估，更是植物演化的主要驱动力。同时，研究还整合了基因组特征数据，利用机器学习预测GLK结合位点的转录调控功能，发现其他转录因子共结合的信息可以极大提高模型的准确性（图2）。而GLK大部分结合位点的功能冗余，对解析单一转录因子结合位点的调控功能发出了新的挑战。研究更强调了定量测量转录因子的结合，对利用相关遗传位点为农作物精准设计提供靶位的重要意义。

图2. 利用机器学习预测GLK靶基因的表达

农业与生物学院涂晓雨副教授为本文第一作者，涂晓雨团队成员生信分析科研助理李传顺和在读博士生李杨美汇为论文的共同作者。香港中文大学钟思林教授和山东农业大学李平华教授为通讯作者。华中农业大学谢为博教授课题组，诺丁汉大学Don Grierson院士，以及美国康奈尔大学Boyce Thompson Institute费章君教授和Jim Giovannoni院士也参与了该项研究工作。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-35438-4

上海交通大学农业与生物学院涂晓雨课题组聚焦植物功能基因组学研究。相关成果发表在Nature Communications (2020 & 2022), Molecular Plant, Plant Communications, Journal of Integrative Plant Biology等国际知名学术刊物。现因工作需要诚招博士后2名和专职科研（助理研究员）1名，请有意向者将本人简历、研究经历发送至：xiaoyutu@sjtu.edu.cn，邮件请注明“应聘博士后/专职科研+姓名”。