泛三维基因组是以Hi-C技术为核心，结合基因组及表观功能组学研究技术，对细胞核内的三维空间结构与基因功能和结构变异间的关系进行研究, 了解物种或疾病远距离互作和结构变异形成的空间基础与调控机制，实现对物种基因组的遗传机制和生物功能的深入挖掘。

“Hi-C技术开启了三维基因组生物学时代，被誉为技术突破与现有方法的巧妙结合。”（Bienko M, 2023, nature reviews genetics）[1]

植物泛三维研究意义

Hi-C技术已作为基因组染色体挂载的常规手段，用于辅助植物基因组组装。同时，Hi-C技术广泛应用于研究Mb或者亚Mb尺度的染色体的三维空间结构，探讨植物三维基因组结构对其功能和基因组遗传进化的影响。

模式植物拟南芥仅存在较少的TAD，而大多数植物都具有TAD结构且高度多样化，大小从几kb到几百kb不等。CTCF作为动物研究中调节TAD形成的关键因子，在植物基因组却不编码，使得破译植物TAD的形成成为了植物三维基因组学研究的新热点。

图1 核染色质结构层级[2]

植物泛三维研究思路

根据不同研究目的，样本选择上可以是不同种属间进行研究，也可以选择同一物种中不同发育时期或不同组织间进行研究。根据空间互作距离由远及近，核染色质结构层级可分为染色质区室A/B Compartment，拓扑结构域TAD与染色质环loops。通过Hi-C技术互作图谱的构建，再结合基因组或重测序、转录组、表观组等组学技术，研究不同结构层级与结构变异、基因功能和基因组元件间的互作机制。

植物泛三维经典文章

Genomic innovation and regulatory rewiring during evolution of the cotton genus Gossypium[3]

棉属植物演化过程中的基因组创新和调控重整

通过构建不同棉种的泛三维基因组（Hi-C、ATAC-seq、RNA-Seq与泛基因组结合），研究棉属转座子驱动的基因组大小与三维染色质结构和互作重整之间的关系。两个物种间的相对基因组大小与保守TADs比率呈负相关（P = 0.0075）。与A2基因组的TADs相比，基因组较大或较小分别具有较多的neo-TAD（新TAD的形成）或TAD融合事件，这与基因组之间的大量SVs一致（图2e）。同时，这些事件中涉及的基因比保守边界上的基因更易发生差异表达（图2f）。根据SVs在TAD内部或边界的位置关系，将TAD分为了六类，并得到了基因组插入和缺失分别在TAD内部和TAD边界的比例，以及与neo-TAD和TAD融合事件的伴随关系（图2g-i）。

图2 棉属TAD与SV的位置关系

为了进一步探索转座子对TAD边界的影响，根据染色质状态ATAC、基因数目GN与基因表达GE将TAD边界分为了三类（图3j），相对保守的Type 3型物种特异性边界的比例较高（图3k）。与保守边界相比，四类flLTR（即第1组）在物种特异性边界中发生富集（图3m），其诱导区域基因组大小的增加高于整体基因组扩展的预期（图3n）。

图3 棉属TAD与转座子的演化基因组学

比较不同棉种的染色质互作loops，随着物种保守度的增加，基因与基因之间的染色质互作（G-G loops）的比例增加（图4a），转座子在锚定位点上的覆盖率降低（图4b）。两个实例证明了直系同源基因之间距离的变化常伴随着loops变化和基因的差异表达（图4c）。

与物种特异性CREs（顺式调控元件）相比，保守和可变CREs倾向于调节更多高表达水平的基因，涉及的loops距离更远（图4d-f）。物种特异性CREs与转座子重叠的比例（图4g），以及物种特异性CREs与PAVs重叠的比例（图4h），均高于保守和可变CREs的，暗示了转座子扩增和PAVs在CREs演化中的作用。

图4 棉属染色质互作特征

参考文献

[1] Bienko M. How Hi-C ignited the era of 3D genome biology. Nat Rev Genet. 2023 Jul;24(7):418.[2] Domb K, Wang N, Hummel G, et al. Spatial Features and Functional Implications of Plant 3D Genome Organization. Annu Rev Plant Biol. 2022 May 20;73:173-200.[3] Wang M, Li J, Qi Z, et al. Genomic innovation and regulatory rewiring during evolution of the cotton genus Gossypium. Nat Genet. 2022 Dec;54(12):1959-1971.