近日，华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室闵玲教授团队在Advanced Science期刊上发表题为“Chromatin topology reconfiguration orchestrates thermotolerant male fertility via GhAL5 in cotton”的研究成果。华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室已出站博士后李焱龙（现就职湖南农业大学）为第一作者、新疆农业科学院棉花所杨静助理研究员与王为然副研究员（均为华中农业大学在读博士生）为本文共同第一作者。闵玲教授和新疆农业科学院棉花所孔杰研究员为共同通讯作者。
该研究以极端耐热品系“84021”和高温敏感品系“H05”为材料，在花药发育的三个关键时期（四分体期、绒毡层降解期、花药开裂期）获得了系统的RNA-seq、原位Hi-C、ATAC-seq和ChIP-seq数据。转录组分析发现，高温下敏感材料“H05”表现出更剧烈的转录激活，尤其是上调基因比例显著高于耐热材料。通过共表达网络分析鉴定到多个与热胁迫响应的核心模块。作为异源四倍体，棉花的At和Dt亚基因组间存在广泛的同源基因。研究发现，耐热材料“84021”在高温胁迫下，更多同源基因对倾向于从“偏向表达”转变为“平衡表达”，在敏热材料“H05”中相反；在单细胞水平也发现同样现象，在高温敏感的绒毡层和小孢子等细胞类型中表达偏倚严重，而相对耐热的表皮细胞等亚基因组表达相对平衡，说明亚基因组表达平衡与细胞耐热性密切相关。
整合多组学分析发现，高温胁迫驱动了棉花花药三维结构的动态变换，主要观察到耐热材料“84021”在花药开裂期倾向于A向B转换（基因沉默趋势），而敏感材料“H05”则呈现大量B向A转换（基因激活趋势），且At亚基因组的响应更为显著；转座子（TE）在动态TAD边界处转录活跃，其活性与TAD边界的形成和维持相关。有趣的是，高温下耐热材料能获得更多包含同源基因对的“同源TAD”，这有助于同源基因的共表达，而敏感材料则呈现相反趋势；将连接基因与非基因区的G-N环进一步分为G-ON（连接开放染色质区）和G-CN（连接关闭染色质区）两类。发现敏感材料“H05”在高温下具有更高比例的G-ON环，染色质环景观过度激活，可能导致有害基因的过量表达，是其易发生雄性不育的重要原因之一。
通过整合三维基因组动态与共表达网络，锁定了一个Alfin-like家族转录因子基因GhAL5。在耐热材料中，GhAL5稳定位于TAD边界，且连接丰富的染色质环；而在敏感材料中，高温胁迫驱动GhAL5从TAD内部迁移至边界，伴随染色质环的显著增加与基因的剧烈诱导表达。Capture-C实验证实了该位点在高温下的染色质互作动态。在棉花中过表达GhAL5显著增强了苗期耐热性和高温下的花粉活力，而RNAi干扰和CRISPR敲除株系则表现出热敏感表型和极高的花粉不育率。将GhAL5在水稻中异源过表达，同样能显著提升水稻的耐热性。在辣椒中的瞬时表达与基因沉默实验也验证了其功能的保守性。这表明GhAL5是一个具有广谱应用潜力的“热保护”基因。对GhAL5遗传材料的三维基因组分析发现，GhAL5 RNAi株系在高温下发生了更广泛的B向A区室转换，模拟了敏感材料的异常激活状态，而过表达株系则维持了更稳定的基因组拓扑结构。这表明GhAL5可能通过“稳定TAD边界、防止染色质异常解压缩”和“通过其PHD结构域识别组蛋白修饰、调控增强子-启动子环化”的双重机制，协调三维基因组重排以保障转录稳态。
GhAL5正向调控棉花耐热性