雄配子体的正常发育是拟南芥世代交替的重要组成部分。在拟南芥雄配子体形成过程中，小孢子经历第一次不均等有丝分裂形成生殖细胞和营养细胞，生殖细胞经历第二次有丝分裂形成两个精细胞。两个精细胞和营养细胞共同组成雄性生殖单位（male germ unit）。拟南芥雄配子体的发育受到多方面的表观调控，包括DNA甲基化，组蛋白修饰等。作为表观遗传学的重要分支，染色质三维（3D）结构在维持真核生物基因组稳定性，调控基因转录等方面发挥重要作用。在多种哺乳动物中，染色质三维结构被发现在精子发生过程中产生动态变化。然而，受制于拟南芥雄配子体分选的困难和传统高通量染色质构象捕获技术（Hi-C）对于起始量的较高要求。目前关于植物雄配子体发育过程中染色质三维结构的动态变化和其发挥的生物学作用仍缺乏深入了解。
2025年2月10日，基因功能研究与操控全国重点实验室、北京大学现代农学院、北京大学-清华大学生命科学联合中心周岳课题组在Genome Biology上在线发表了题为“Dynamic changes in 3D chromatin structure during the two rounds of mitosis in plant male gametogenesis”的研究论文，揭示了拟南芥雄配子体发育过程中不同细胞类型中的染色质三维结构特征，解析了三维结构与细胞功能之间的关联。
周岳课题组与刑栋课题组合作，通过综合利用荧光激活细胞分选（FACS）技术、低起始量Hi-C技术（low input Hi-C）和单细胞核Hi-C技术（snHi-C），描绘了小孢子核、生殖细胞核、营养细胞核和精细胞核的染色质三维结构，获得了高质量的Hi-C结果。并发现小孢子核在经历第一次有丝分裂后，染色质三维结构朝向不同方向变化。对于生殖细胞核，染色质从近端起始压缩过程，最终实现染色质在精细胞核中的高度压缩状态。同时，相较于体细胞核，小孢子核，生殖细胞核和精细胞核中，染色质疆域清晰。营养细胞核中，染色质结构松散，不同染色质相互缠绕，染色质疆域消失。此外，精细胞核和营养细胞核中A/B区室发生转变，且营养细胞核中A/B区室转变和功能基因的表达具有密切关联。在精细胞核中，存在一个“转录活跃中心”，该中心对于精细胞核功能基因的表达十分关键。组蛋白变体H2B.8在此前被报道参与精细胞核的压缩过程，本研究通过CRISPR-Cas9技术构建了h2b.8突变体，并发现其不影响“转录活跃中心”的维持。
综上，本研究通过研究四类细胞中的染色质三维结构的动态变化，初步探究了基因组结构在雄配子体发育中的生物学功能。
图1 雄配子体两次有丝分裂过程中染色质三维结构的动态变化及其重要作用
北京大学现代农学院周岳研究员和北京大学生物医学前沿创新中心（BIOPIC）邢栋研究员为本文共同通讯作者。北京大学前沿交叉学科研究院博士生宋知涵、北京大学生物医学前沿创新中心已毕业博士生夏启旻、北京大学现代农学院博士生杨敏琪和博士后杨婷婷为本文共同第一作者。该研究得到生物育种国家科技重大专项、国家自然科学基金、中国博士后科学基金资助项目、基因功能研究与操控全国重点实验室、北京大学现代农学院、北京大学生物医学前沿创新中心、北京大学-清华大学生命科学联合中心的资助。
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