染色质可及性（Chromatin Accessibility）是染色质的一种特性，为转录因子结合靶基因提供了空间。转座酶可及染色质测序分析（ATAC-seq）是常见的研究染色质可及性的方法，ATAC-seq联合RNA-seq是一种新的研究思路，为阐述基因组和特定生物过程中的基因差异表达提供见解。然而，做完ATAC-seq仅仅是发一篇测序类的文章吗？ATAC-seq能为后续的研究提供些什么？
2024年1月11日，西北农林科技大学园艺学院苹果抗逆与品质改良创新团队李明军教授课题组在The Plant Journal 和 Plant Biotechnology Journal 发文双重奏，为理解苹果在低温和干旱胁迫下糖积累的分子机制提供了理论依据。两篇文章都利用ATAC-seq数据挖掘出了调控关键结构基因的上游转录因子，从而为整篇文章奠基并完善了相关的转录调控网络。
1、MdCBF1/2-MdTST1/2模块调节苹果响应低温的糖积累
可溶性糖含量是决定水果风味的关键成分，其在果实中的积累在很大程度上取决于糖的代谢和运输。当昼夜温度范围较大时，肉质水果会积累更多的可溶性糖而变得更甜。然而，背后的分子机制在很大程度上仍然未知。
在这项研究中，作者首先证实低温能够促进苹果果实中可溶性糖的积累，并发现这主要是因为液泡糖转运蛋白MdTST1/2上调导致，叶的发现也支持这一结论。
随后，ATAC-seq被用来分析MdTST1/2基因的上游功能调控区并预测可能的转录因子。MdTST1/2的启动子和5′UTR区存在着ATAC-seq信号，表明其中存在活性调控因子。基序（motif）预测和表达模式分析表明，MdCBF1/2是MdTST1/2最有可能的上游调控因子。
图1、调控MdTST1/2的上游转录因子分析
通过酵母单杂交（Y1H）、GUS和Dual-LUC的报告基因系统以及ChIP-qPCR等检测分子互作的实验，研究成功证实MdCBF1/2通过直接结合MdTST1/2启动子的CRT/DRE顺式元件激活它们的表达。
在苹果愈伤和组织中，瞬时过表达MdCBF1或MdCBF2均能提高可溶性糖水平并导致MdTST1/2的表达增加，而瞬时沉默MdCBF1或MdCBF2导致相反表型。此外，在MdCBF1或MdCBF2过表达的背景下，瞬时沉默MdTST1或MdTST2会使转基因苹果中的可溶性糖含量降低，这说明MdCBF1/2通过依赖性正调控MdTST1/2的方式在糖积累中发挥作用。
同时沉默MdCBF1/2或MdTST1/2，相比于沉默对照和野生型，降低了低温下苹果果实中的糖积累。此外，沉默MdCBF1/2还会导致MdTST1/2下调，而沉默MdTST1/2不会导致MdCBF1/2变化。
总之，该研究揭示了MdCBF1/2-MdTST1/2 模块在调控苹果低温响应糖积累中的重要作用，为低温与糖信号之间的调节机制及进一步的苹果果实品质改善调控了新的科学依据。
图2、低温诱导苹果果实糖积累的模式图
2、MdDOF3-MdHT1.2介导的根际葡萄糖吸收调控苹果抗旱性
除了低温胁迫，干旱胁迫也会导致植物根中的糖含量增加，这对植物的抗旱性意义非凡。然而，在干旱响应过程中控制根系含糖量的分子机制仍然难以捉摸。
在这项研究中，作者发现干旱处理会促进葡萄糖从根际运输到苹果根中，造成根中葡萄糖水平上升。己糖转运蛋白MdHT1.2是课题组前期发现的一个介导根系对根际葡萄糖吸收的基因，在干旱处理后被显著诱导。
瞬时过表达MdHT1.2导致苹果耐旱性增加，同时干旱胁迫下的葡萄含量也高于野生型；然而，瞬时沉默MdHT1.2出现相反的表型。此外，在有或无外源葡萄糖供应的情况下，转基因植物和野生型植物的表型不一致。没有外源糖补充时，转基因植物的抗旱性以及干旱处理下的可溶性糖积累与野生型相比均无明显差异；有外源葡萄糖供应下，过表达植物的抗旱性和干旱处理下的可溶性糖含量都强于野生型，沉默植物的则弱于野生型。这些结果说明MdHT1.2介导葡萄糖从根际转运到根中增加根中可溶性糖的积累可以增强抗旱性。
随后，ATAC-seq数据被再一次用来分析可能调控MdHT1.2的上游转录因子。MdHT1.2的启动子和5′UTR存在开放染色质区，其中包含15个转录因子（TF）的结合基序，依据它们在干旱处理下苹果中的表达模式初步确定了4个TFs。
图3、调控MdHT1.2的上游转录因子分析
Dual-Luc报告基因系统显示4个TFs中仅有MdDOF3能结合MdHT1.2启动子激活其转录。启动子截断的Y1H、GUS报告基因再次表明，MdDOF3与MdHT1.2启动子中的“AAAG” 顺式元件相互作用。
在供应外源糖的情况下，与野生型相比，瞬时过表达MdDOF3会增强毛状根植物的耐旱性。此外，过表达毛状根在对照条件和干旱条件下的根际葡萄向根中的转运都比野生型强，根中的可溶性糖含量更高。沉默MdDOF3的毛状根表现出完全相反的表型。
在MdHT1.2沉默的植株根中过表达MdDOF3，无论有没有葡萄糖供应，均不能增强转基因植物的耐旱性，这说明MdDOF3对抗旱性的调节依赖于MdHT1.2介导的根系葡萄糖吸收。
总之，该研究阐明了MdDOF3-MdHT1.2模块在平衡根细胞中糖含量以应对干旱胁迫的调控机制，这对优化植物适应性和提高植物抗性和品质改良具有重要意义。
图4、MdDOF3-MdHT1.2模块调节根系葡萄糖转运增强苹果耐旱性的模型
上述两篇文章展示了如何从ATAC-seq数据中挖掘调控特定基因的关键转录因子，与传统的仅依赖于基因共表达和全长启动子预测相比，ATAC-seq提供了活性调控区的信息，使得预测结果更为精准。
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