Funktionelle Charakterisierung von cis-regulatorischen Variationen welche Merkmalsunterschieden im Mais zu Grunde liegen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Transkriptionsfaktoren (TF) spielen eine zentrale Rolle bei der räumlichen und zeitlichen Expression von Genen und ermöglichen so komplexe Entwicklungsverläufe und schnelle Reaktionen auf sich verändernde Umgebungen. Ist es seit langem ein zentrales Ziel der Genetik, die von TFs gebundenen Sequenzen zu identifizieren und zu verstehen, wie Variationen an diesen regulatorischen Stellen Unterschiede in der Genexpression bewirken. In der Vergangenheit war die Identifizierung von cis-regulatorischen Elementen wie TF-Bindungsstellen mühsam, da sie mit ChIP-seq jeweils für einen TF und mit relativ geringer Auflösung durchgeführt wurde. Genomische Ansätze haben versucht, sich diesen Bemühungen anzunähern und offenes Chromatin genomweit zu identifizieren, allerdings auf Kosten der Auflösung und Interpretierbarkeit. In diesem Projekt haben wir einen Hochdurchsatz-TF-Fußabdruck-Assay entwickelt und gezeigt, wie die haplotyp-spezifische Quantifizierung von TF-Fußabdrücken in ihrem nativen Chromatinkontext es ermöglichte, ein pflanzliches Pancistrom der ersten Generation zu konstruieren. Unser Ansatz, bei dem wir uns auf Hybride von gut studierten Inzuchtlinien konzentriert haben, ermöglichte eine haplotypspezifische Auflösung von TF-Bindungsstellen in cis, wodurch biologische, technische und Transfaktor-Unterschiede vermieden wurden, die ansonsten die Quantifizierung der cis-Elementen Regulation erschweren. Wir identifizierten ~210.000 variabel gebundene cis-Elemente in verschiedenen Maislinien, was die bisher größte Sammlung von genetischen/epigenetischen Varianten an cis-Elementen in Pflanzen darstellt. Diese Sammlung von cis-Varianten deckte sich mit zahlreichen Loci, von denen bekannt ist, dass sie Variationen in der Blütezeit, der Pflanzenarchitektur und der Organgröße steuern. In vielen Fällen konnten wir direkte Korrelationen zwischen der allelspezifischen Bindung von cis-Elementen und der Transkriptregulation nachweisen. Wichtig ist, dass wir festgestellt haben, dass Variationen an TF-Bindungsstellen den größten Teil der Erblichkeit für bemerkenswerte ~70 % der fast 150 untersuchten Phänotypen erklären. Wir haben auch gezeigt, dass hochauflösende TF-Fußabdrücke wirksam zur Identifizierung von Tausenden von zuverlässigen Kandidaten für die Verbesserung von Kulturpflanzen beitragen können, die mit der Reaktion auf wichtige landwirtschaftliche Merkmale, insbesondere Hitze- und Trockenstress, verbunden sind. Schließlich haben wir gezeigt, dass die durch TF-Fußabdrücke identifizierten cis-Elemente die Vorhersagen von Deep-Learning-Modellen für cis-Regulierungselemente verbessern oder deren Vorhersagen in einem noch nie dagewesenen Ausmaß und Präzession validieren zu können.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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The native cistrome and sequence motif families of the maize ear. PLOS Genetics, 17(8), e1009689.
Savadel, Savannah D.; Hartwig, Thomas; Turpin, Zachary M.; Vera, Daniel L.; Lung, Pei-Yau; Sui, Xin; Blank, Max; Frommer, Wolf B.; Dennis, Jonathan H.; Zhang, Jinfeng & Bass, Hank W.
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Mapping responsive genomic elements to heat stress in a maize diversity panel. Genome Biology, 23(1).
Liang, Zhikai; Myers, Zachary A.; Petrella, Dominic; Engelhorn, Julia; Hartwig, Thomas & Springer, Nathan M.
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Conserved and variable heat stress responses of the Heat Shock Factor transcription factor family in maize and Setaria viridis. Plant Direct, 7(4).
Myers, Zachary A.; Wootan, Clair M.; Liang, Zhikai; Zhou, Peng; Engelhorn, Julia; Hartwig, Thomas & Nathan, Springer M.
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Genetic variation at transcription factor binding sites largely explains phenotypic heritability in maize. openRxiv.
Engelhorn, Julia; Snodgrass, Samantha J.; Kok, Amelie; Seetharam, Arun S.; Schneider, Michael; Kiwit, Tatjana; Singh, Ayush; Banf, Michael; Khaipho-Burch, Merritt; Runcie, Daniel E.; Sanchez-Camargo, Victor A.; Torres-Rodriguez, J. Vladimir; Sun, Guangchao; Stam, Maike; Fiorani, Fabio; Beier, Sebastian; Schnable, James C.; Bass, Hank W.; Hufford, Matthew B. ... & Hartwig, Thomas
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Hybrid allele-specific ChIP-seq analysis identifies variation in brassinosteroid-responsive transcription factor binding linked to traits in maize. Genome Biology, 24(1).
Hartwig, Thomas; Banf, Michael; Prietsch, Gisele Passaia; Zhu, Jia-Ying; Mora-Ramírez, Isabel; Schippers, Jos H. M.; Snodgrass, Samantha J.; Seetharam, Arun S.; Huettel, Bruno; Kolkman, Judith M.; Yang, Jinliang; Engelhorn, Julia & Wang, Zhi-Yong
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MINI‐AC : inference of plant gene regulatory networks using bulk or single‐cell accessible chromatin profiles. The Plant Journal, 117(1), 280-301.
Manosalva Pérez, Nicolás; Ferrari, Camilla; Engelhorn, Julia; Depuydt, Thomas; Nelissen, Hilde; Hartwig, Thomas & Vandepoele, Klaas
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Genetic variation at transcription factor binding sites largely explains phenotypic heritability in maize. Nature Genetics, 57(9), 2313-2322.
Engelhorn, Julia; Snodgrass, Samantha J.; Kok, Amelie; Seetharam, Arun S.; Schneider, Michael; Kiwit, Tatjana; Singh, Ayush; Banf, Michael; Doan, Duong Thi Hai; Khaipho-Burch, Merritt; Runcie, Daniel E.; Sánchez-Camargo, Victor A.; Bader, Rechien; Vladimir Torres-Rodriguez, J.; Sun, Guangchao; Stam, Maike; Fiorani, Fabio; Beier, Sebastian; Schnable, James C. ... & Hartwig, Thomas
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Modelling genetic variation effects in plant gene regulatory networks using transfer learning on genomic and transcription factor binding data. Springer Science and Business Media LLC.
Peleke, Fritz; Zumkeller, Simon; Hartwig, Thomas; Engelhorn, Julia; Schmitt, Armin & Szymański, Jędrzej
