ATAC-seq解析作物根部基因表达调控机制并发现新的控制模块

ATAC-seq，可以鉴定DNA的可触及区域（即未被组蛋白保护的开放区域）。该技术利用Tn5转座酶，将染色质开放区域切割下来，构建成测序文库。目前被广泛应用于基因表达调控研究。

由于其高灵敏和低起始量的样本需求，加之atac-seq与其他技术的良好一致性，使得该技术被广泛应用于动物及肿瘤方向研究。其实，在植物领域研究中，ATAC-seq亦有不错发挥。2018年，植物学著名期刊The Plant Cell报道了该技术在植物基因表达调控领域应用的新进展——

研究中采用四种不同植物（拟南芥、苜蓿、水稻、番茄）根尖细胞，以及拟南芥根毛区的有毛细胞和无毛细胞开展研究，利用ATAC-seq技术重点探讨了如下问题：

* ATAC-seq技术，进行纯化与否的效果，及与既往DNase-seq技术的结果一致性；

*讨论跨物种的植物之间，染色质开放区域具有怎样的相似或特异性特征；

技术流程

技术方法比较研究发现，同样是ATAC-seq,样本经过纯化后，与不经纯化的结果比，产生的结果一致性很高，但不经纯化（crude）的方法，含有大量细胞器基因组（~50%）；纯化atac研究中，核基因组含量可达~90%以上(如下Table)。

此外，ATAC-seq与DNase-seq结果间相似度非常高（下图）。

在纯化（INTACT组）方法中检测到的ATAC信号富集区域（THS）基本也都出现在未纯化组和DNase-seq组研究结果中。

不同方法检测一致性比对，ATAC-seq与DNase-seq的大部分富集区域存在重叠；

三种方法统计的THS区域与基因组相关区域分布，三种方法一致性较高——大部分（~75%）THS出现在转录区域外，基本落在TSS上游2kb之内和TTS下游1kb之内。

在跨植物物种的染色质开放区域研究中发现：四个不同物种的染色质开放区具有一致性，对同源基因部分研究发现其转座酶可及性模式具有一定程度一致性（下图A）；但不同物种间，THS分布特征有各自特点，较大基因组其平均间距也较大，大致成比例(下图B)；四个不同物种THS分布领域主要在TSS上游2kb，靠近TSS会有更多THS分布（下图C）；大部分的基因上游只有1个THS区域，THS数量分布在不同物种中比较类似，尤其在水稻、苜蓿和拟南芥中，番茄的差异较大（下图D）。

*研究筛选出373个直系同源基因，统计其上游THS数目：除番茄外，其他物种THS模式比较类似，其中拟南芥和苜蓿最相似（下图A）；结合373种基因表达的情况看，THS分布于基因表达之间无明显相关性（下图B），说明基因表达调控是一个复杂工作网络。

*拟南芥THS区域富集获得四种转录因子（TFs）Motif：HY5、ABF3、CBF2、MYB77 .这四种TFs靶基因之间存在重叠（下图C），在根尖基因表达中起重要作用；通过聚类分析四个物种中不同类型TF靶基因分布比例：在跨物种比较中，出现比较一致性结果（下图D）。

研究的第三个问题，是针对拟南芥根毛区两种类型细胞（有毛细胞和无毛细胞）的染色质开放区与基因表达间的关系。对拟南芥的根尖、有毛细胞、无毛细胞的atac富集区域（THS）进行比较：三者相似度较高，但表皮细胞与根尖组织存在一定差异性（下图A）；

为确认细胞类型之间的差异性，选用两个生物学重复确定THS存在，筛选出的THS中大部分为三者共有的调控位点没其中6562种为根毛和非根毛表皮特有，未在根尖出现——说明THS分布会造成差异性表达（下图B）；ATAC-seq进行THS检验，可获得定量（开放程度的信号强度）结果，非定性结果——说明TF的结合难易程度而非开放区域是否存在（下图C）；

THS与下游基因表达情况的相关性研究：富集位点比较——大部分基因与上游的单个THS相关（下图D）。

ABI5/MYB33可能是根毛表皮细胞中转录调控级联的顶端，其对应靶基因功能因此受到关注（下图C）。