New Phytologist丨农学院小麦研究中心揭示小麦多倍化过程中 DNA 甲基化重塑调控根系优势性状形成

2024 年 2 月 16 日，中国农业大学农学院 小麦研究中心 在 New Phytologist 在线发表了题为 "Reshaped DNA methylation cooperating with homoeolog-divergent expression promotes improved root traits in synthesized tetraploid wheat" 的研究论文，揭示小麦多倍化过程中 DNA 甲基化重塑调控根系优势性状形成。

多倍化在植物进化、驯化过程中发挥着重要的作用，多倍体作物通常因其优于亲本的性状而被选择利用 (Osborn et al., 2003; Van de Peer et al., 2017)。小麦为典型的异源多倍体作物，经历了两轮的多倍化过程。目前针对小麦多倍化中组蛋白修饰、染色质可及性和染色体三维构象等表观遗传修饰参与生长发育的调控已有较为深入的研究 (Liu et al., 2023; Wang et al., 2023; Zhao et al., 2023)，而在 DNA 甲基化方面的研究相对较少。开展小麦多倍化过程中 DNA 甲基化的研究，有助于解析多倍化过程中 DNA 甲基化介导的基因调控网络重塑的调控规律，揭示 DNA 甲基化调控对小麦多倍体表型优势的贡献。

01合成四倍体小麦的DNA 甲基化水平整体下降

该研究利用二倍体高大山羊草小麦 (TL05, SlSl, Aegilops longissima) 和乌拉尔图小麦 (TMU06, AA, Triticum urartu) 及其合成四倍体小麦 (TL05/TMU06, SlSlAA) 为研究对象 (图 1a), 构建了根系 (萌发后 2 天) 的 DNA 甲基化组和转录组图谱。研究发现合成四倍体小麦的全基因组 DNA 甲基化水平较其二倍体供体材料显著降低 (图 1b)。通过分析 DNA 甲基化酶的表达谱发现, 仅 Sl 亚基因组来源的 DNA 去甲基化酶 ROS3 在多倍化后的表达水平显著上调 (图 1c), 可能主要贡献了多倍化后全基因 DNA 甲基化水平的降低。

有趣的是, 研究观察到高大山羊草基因组 (SlSl) 在近期演化中发生的 4S-7S 染色体易位区间 (图 1d) 附近的 DNA 甲基化水平呈现出 "V - 型分布模式" ；通过重新拼接回原染色体发现 DNA 甲基化分布恰好吻合, 即易位片段继承了原染色体 DNA 甲基化水平 (图 1e)。这一现象表明, 染色体易位后表观遗传景观的融合或需要漫长的演变过程。

图 1 合成四倍体小麦多倍化前后的 DNA 甲基化重塑 (a-c) 及易位区间的 DNA 甲基化景观分析 (d-e)

02DNA 甲基化变化参与重建根系生长相关的基因调控网络

基因启动子区的 DNA 甲基化状态对调控基因表达具有重要作用。该研究在基因的启动子区检测到大量经多倍化诱导的 "超低 DNA 甲基化区域" (hypo-DMRs), motif 分析表明这些 hypo-DMRs 中富集 MYB 转录因子的结合位点 (图 2a), 同时发现 MYB 家族转录因子的转录水平在多倍化后显著升高 (图 2b)。通过 EMSA 和瞬时表达实验证明, 去除启动子区转录因子结合位点的 DNA 甲基化可促进 MYB 转录因子结合在根毛发育相关基因的启动子区, 进而促进了基因的表达 (图 2c、d、e)。以上研究结果表明, 经多倍化, DNA 甲基化参与了小麦根系生长相关的基因调控网络重建。

图 2 DNA 甲基化水平变化影响转录因子结合

03部分同源基因的非对称甲基化促成多倍体小麦的根系性状优势

该研究发现相较二倍体供体亲本, 合成四倍体小麦根毛长度增加 (图 3a), 氮利用效率提高 (图 3c)。Sl 基因组来源的根毛调控因子 CPC 基因和 A 基因组来源的根毛生长决定因子 RSL4 基因的表达水平在多倍化后显著升高, 且启动子区均被检测到 hypo-DMR (图 3b), 说明 DNA 甲基化变化可能参与根毛生长基因的表达调控。此外该研究发现, 在多倍化后, 11 个 Sl 基因组来源的低亲和硝酸盐转运蛋白基因 (NPFs) 表达水平显著升高, 其中有 6 个 NPFs 被检测到 hypo-DMR 区域 (图 3d), 表明 DNA 甲基化对合成四倍体小麦根系氮利用效率优势形成有重要作用。此外, 通过分析以串联重复形式存在的高亲和硝酸盐转运蛋白基因 (NRT2s) 的 DNA 甲基化模式发现, 具有转录活性的 NRT2.2s 通常甲基化水平较低, 说明小麦串联基因转录水平受到 DNA 甲基化的精确调控 (图 3e)。

图 3 DNA 甲基化参与根系性状相关基因调控

04结论与讨论

综上所述, 该研究绘制了合成四倍体小麦多倍化前后根组织的 DNA 甲基化组和转录组图谱, 系统分析了 DNA 甲基化参与多倍化小麦基因表达调控关系重构的规律, 发现部分同源基因的非对称的 DNA 甲基化模式对多倍体小麦根系表型优势形成有重要贡献。这些结果为多倍体作物的表观遗传学研究提供了新的见解, 强调了表观遗传调控在多倍体作物性状改良中发挥的重要作用性。

中国农业大学农学院小麦研究中心 郭伟龙 副教授和 邢界文 副教授为该论文的通讯作者。博士研究生 苗凌峰 和 徐伟亚 为论文共同第一作者。已毕业硕士生 黄湘仪、刘衍宏 对该工作的前期推进有重要贡献。小麦研究中心 孙其信 院士、倪中福 教授、彭惠茹 教授、姚颖垠 教授、辛明明 教授、胡兆荣 教授, 南京农业大学 宋庆鑫 教授, 中国科学院遗传与发育生物学研究所 韩方普 研究员和 张晶 博士对该工作进行了指导和帮助。小麦研究中心已毕业博士 王会芳, 博士后 王梓豪、陈永明, 硕士生 陈哲 参与了该研究工作。感谢东北师范大学 刘宝 教授和复旦大学 李霖峰 教授提供的高大山羊草基因组数据。感谢中国农业大学博士生 秦震、刘继鲁 对工作提供的技术支持。该工作得到了国家自然科学基金项目和 "拼多多-中国农业大学研究基金" 的资助。

团队介绍

孙其信 院士作为学术带头人的中国农业大学小麦研究中心长期围绕多倍体小麦广适性的遗传基础和分子机制、小麦产量性状形成、小麦品质性状遗传调控等一系列重要科学问题开展系统深入的研究。该团队在“十三五”期间共获得国家科技进步二等奖1项，国家技术发明二等奖1项，教育部高校科研优秀成果技术发明奖一等奖1项，中华农业科技奖优秀创新团队奖1项；近5年在小麦研究方向发表Nature、Nature Communications、The Plant Cell、Molecular Plant等高水平研究论文 50 余篇。