关于如何把握植物表观遗传学研究思路与应用探索的介绍
2025-10-13 来源:本站 点击次数:36
植物因其独特的生物学特性（如生殖细胞发育较晚、体细胞与生殖细胞界限模糊），使得环境诱导的表观修饰更易跨代遗传，成为研究表观遗传可塑性的理想模型。当植物遭遇干旱、盐胁迫或病虫害时，它们不仅能通过表观遗传修饰激活防御基因，还能将这种“胁迫记忆”传递给下一代，使子代在面临相似挑战时能更从容应对。
植物表观遗传学的研究不仅深化了对生命本质的理解，更为应对全球气候变化下的粮食安全挑战提供了新思路。它架起了基因型与表型之间的桥梁，揭示了环境与基因互作的深层机制，为可持续农业发展带来了无限可能。
1、ChIP-seq等揭示桃树需冷量和芽休眠调控的关键基因
图1：桃树芽破眠相关遗传组分的模型
研究通过m6A-seq和BS-seq等分析揭示了玉米（Zea mays）中m6A和5mC之间通过mRNA腺苷甲基化酶（ZmMTA）（m6A甲基转移酶复合体的关键因子）与DNA甲基化1（ZmDDM1）（调控DNA甲基化的关键染色质重塑因子）减少之间的相互作用而发生串扰。与无m6A修饰的基因相比，带有m6A修饰的基因具有更高水平的DNA甲基化。ZmMTA功能丧失导致玉米胚胎发生和胚乳发育过程中严重停滞，导致m6A修饰基因5'区CHH甲基化显著降低。而ZmDDM1功能丧失对ZmMTA相关活性没有明显影响。这项研究在玉米籽粒发育过程中建立了m6A和5mC之间的直接联系，并提供了RNA修饰和DNA甲基化之间相互作用的见解。
图1：m6A修饰和DNA甲基化的协作。
图3：m6A促进ZmDDM1与TSS（转录起始位点）的结合。
3、WGBS+RNA-seq助力揭示植物不定根再生的DNA甲基化调控机制
本研究利用5-azaC DNA甲基化抑制剂，使根原基的启动和发育更早发生，从而提高刺槐的不定根再生率。WGBS揭示了在5-azaC处理样本中，整体甲基化水平下降，而在所有背景（包括CHH、CHG和mergedCG）中，低甲基化胞嘧啶位点和区域增加，从而导致转录变异。酵母双杂交（Yeast Two-Hybrid, Y2H）实验揭示了一个以RpMYB2为中心的转录因子（Transcription Factors, TFs）网络，这些转录因子被RpWRKY23、RpGATA23、RpSPL16以及其他基因如RpSDP、RpSS1、RpBEN1、RpGULL05和RpCUV转录激活，其核定位表明它们可能共定位。酵母单杂交（Yeast One-Hybrid, Y1H）实验揭示RpMYB2互作蛋白RpGATA23、RpWRKY23与RpSK6、RpCDC48的启动子互作，而荧光素酶报告基因实验（Luciferase Reporting Assay, LRA）验证了其与RpSK6结合。本研究结果表明，低甲基化介导的转录组修饰激活了以RpMYB2为中心的基因网络，从而增强了刺槐下胚轴切段的不定根再生能力。这些发现为通过遗传改良提高植物再生能力和增加木材产量，同时抵御环境损害提供了理论基础。
参考文献：
Zhao YL, et al. MADS-box protein PpDAM6 regulates chilling requirement-mediated dormancy and bud break in peach. Plant Physiol. 2023 Aug 31;193(1):448-465. doi: 10.1093/plphys/kiad291.
Luo JH, et al. RNA m6A modification facilitates DNA methylation during maize kernel development. Plant Physiol. 2023 Nov 23. doi: 10.1093/plphys/kiad625.
Hussain SS, et al. DNA Hypomethylation Activates the RpMYB2-Centred Gene Network to Enhance Regeneration of Adventitious Roots. Plant Cell Environ. 2024 Oct 28. doi: 10.1111/pce.15236.
植物表观遗传学的研究不仅深化了对生命本质的理解，更为应对全球气候变化下的粮食安全挑战提供了新思路。它架起了基因型与表型之间的桥梁，揭示了环境与基因互作的深层机制，为可持续农业发展带来了无限可能。
1、ChIP-seq等揭示桃树需冷量和芽休眠调控的关键基因
本研究通过基于345份桃树（Prunus persica (L.) Batsch）材料的结构变异的全基因组关联研究（GWAS），鉴定出PpDAM6（DORMANCY-ASSOCIATED MADS-box）是调控需冷量的关键基因。通过在桃树芽中瞬时沉默PpDAM6基因，以及在转基因苹果（Malus×domestica）中稳定过表达该基因，验证了PpDAM6在需冷量调控中的功能。结果表明，PpDAM6在调控桃树和苹果的芽破眠、随后的营养生长和开花过程中具有进化上保守的功能。PpDAM6启动子区域的30-bp缺失与低需冷量品种中PpDAM6表达量的降低显著相关。基于这一30-bp插入/缺失（indel）开发的PCR标记可用于区分非低需冷量和低需冷量的桃树品种。ChIP-seq结果表明，在低需冷量和非低需冷量品种中，PpDAM6位点的H3K27me3修饰在休眠过程中未表现出明显变化，且从全基因组水平来看，低需冷量品种的H3K27me3修饰发生得更早。PpDAM6能够通过诱导下游基因PpNCED1（9-顺式环氧类胡萝卜素双加氧酶1，ABA生物合成的关键酶）和CALS（胼胝质合成酶）的表达来介导细胞间通讯。本研究揭示了由PpDAM6复合体形成的基因调控网络，该网络介导了桃树需冷量调控下的休眠和芽破眠过程。对需冷量自然变异遗传基础的深入理解，将有助于育种者开发适合在不同地理区域种植的不同需冷量品种。
图1：桃树芽破眠相关遗传组分的模型
图2：桃树中H3K27me3的ChIP-Seq分析及EVG位点中H3K27me3水平。
2、RNA m6A修饰促进玉米籽粒发育过程中的DNA甲基化研究通过m6A-seq和BS-seq等分析揭示了玉米（Zea mays）中m6A和5mC之间通过mRNA腺苷甲基化酶（ZmMTA）（m6A甲基转移酶复合体的关键因子）与DNA甲基化1（ZmDDM1）（调控DNA甲基化的关键染色质重塑因子）减少之间的相互作用而发生串扰。与无m6A修饰的基因相比，带有m6A修饰的基因具有更高水平的DNA甲基化。ZmMTA功能丧失导致玉米胚胎发生和胚乳发育过程中严重停滞，导致m6A修饰基因5'区CHH甲基化显著降低。而ZmDDM1功能丧失对ZmMTA相关活性没有明显影响。这项研究在玉米籽粒发育过程中建立了m6A和5mC之间的直接联系，并提供了RNA修饰和DNA甲基化之间相互作用的见解。
图1：m6A修饰和DNA甲基化的协作。
图2：ZmMTA促进m6A修饰基因5'区的mCHH。
图3：m6A促进ZmDDM1与TSS（转录起始位点）的结合。
3、WGBS+RNA-seq助力揭示植物不定根再生的DNA甲基化调控机制
图1：5-azaC处理介导全基因组低甲基化。
图2：DNA低甲基化导致转录组变化，从而引起基因差异表达。
参考文献：
Zhao YL, et al. MADS-box protein PpDAM6 regulates chilling requirement-mediated dormancy and bud break in peach. Plant Physiol. 2023 Aug 31;193(1):448-465. doi: 10.1093/plphys/kiad291.
Luo JH, et al. RNA m6A modification facilitates DNA methylation during maize kernel development. Plant Physiol. 2023 Nov 23. doi: 10.1093/plphys/kiad625.
Hussain SS, et al. DNA Hypomethylation Activates the RpMYB2-Centred Gene Network to Enhance Regeneration of Adventitious Roots. Plant Cell Environ. 2024 Oct 28. doi: 10.1111/pce.15236.
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