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武漢植物園揭示了水生植物蓮兩生態型間表型適應性分化的表觀遺傳學機制

  特色水生經濟植物蓮其自然分布區包括兩種分別適應高低緯度氣候環境的生態型:溫帶型(亞洲高緯度溫帶及寒帶)和熱帶型(亞洲及澳大利亞北部低緯度熱帶)。蓮的地下莖俗稱藕或藕帶,是常用餐菜之一,也是區分溫帶型(地下莖膨大成藕,具有明顯的年生長發育周期)和熱帶型蓮(地下莖鞭狀不膨大,常年無明顯停頓生長)的重要器官,其表型分化體現了蓮表型對不同緯度氣候環境的適應性進化。DNA甲基化修飾是一類重要的表觀遺傳修飾,其中胞嘧啶殘基第5位碳原子上的甲基化現象是研究最廣泛的表觀遺傳修飾。甲基化在不改變DNA序列的前提下,可以影響植物的基因表達和表型,從而參與了植物生長發育。然而,可能影響蓮兩生態型地下莖表型適應性分化背后的DNA甲基化修飾表觀遺傳機制尚不明確。 

  中國科學院武漢植物園與武漢市園林科學研究院研究人員采用重亞硫酸鹽測序和全轉錄組測序技術,選用中國、俄羅斯、印度、澳大利亞和印度地區代表蓮野生資源,對比了5個地區野生蓮的的生長發育習性和形態表型差異,從DNA甲基化表觀組和轉錄組層面探究了蓮兩生態型的適應性表觀遺傳分化模式。該研究發現蓮的CG類型甲基化水平最高,其次是CHGCHH類型。比較各樣本DNA甲基化水平發現,地下莖CHH甲基化水平顯著高于葉。值得注意的是,該研究還揭示了溫帶型蓮整體水平的CGCHG甲基化水平顯著高于熱帶型蓮,這一結論進一步支持了該研究組先前發表的雜交蓮等位基因異性表達顯著偏向于熱帶蓮親本的現象背后的表觀遺傳修飾機制(Gao et al., 2021, Plant Molecular Biology)。此外基于全基因組各類型甲基化模式聚類分析發現,溫帶型蓮和熱帶型蓮在CG甲基化下存在明顯分歧,而地下莖和葉在CHH甲基化下存在明顯分歧。進一步對地下莖中的基因表達分析發現兩個DNA甲基化酶和一個DNA去甲基化酶的表達分化可能與兩生態型蓮DNA甲基化水平的整體差異有關。啟動子與基因體的甲基化對基因表達調控關系較為復雜,負向調控基因多于正向調控,且啟動子中轉座子比例增加會促進基因的甲基化水平與表達的相關性。此外,該研究揭示了參與許多淀粉合成和植物激素信號相關基因的啟動子甲基化和表達豐度顯著相關,作用于蓮兩生態型地下莖的表型分化。總體來說,該研究揭示了蓮地下莖中整體與局部DNA甲基化修飾式樣在其兩生態型間的差異,對兩生態型基因表達差異和表型的適應性分化有重要作用,突出了DNA甲基化在塑造蓮的生態型分化中扮演的重要角色。 

  研究成果以“Distinct methylome patterns contribute to ecotypic differentiation in the growth of the storage organ of a flowering plant (sacred lotus)為題在線發表于國際著名學術期刊《Molecular EcologyIF=5.163)。中國科學院武漢植物園水生植物生物地理學學科組博士畢業生李會為第一作者,中國科學院武漢植物園水生植物與流域生態重點實驗室石濤副研究員和陳進明研究員為論文共同通訊作者,武漢植物園王青鋒研究員及武漢市園林科學研究院楊星宇博士參與該研究。該研究得到了中國科學院戰略重點研究計劃(XDB31000000)、國家自然科學基金(315702203187020831700197)、中國科學院青年創新促進會(2019335)的資助。 

  論文鏈接:https://doi.org/10.1111/mec.15933 

蓮兩生態型地下莖的DNA甲基化差異

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