研究揭示DNA甲基化在大豆馴化改良中的變異機制

作物馴化是農業發展中最重要的事件之一。通過對野生作物的不斷馴化改良，人類才得以獲得符合生產生活需要的現代作物。馴化改良過程就是對作物群體基因組多樣性進行選擇的過程。目前對作物馴化改良的研究主要集中在對遺傳變異的選擇，在 DNA 水平鑒定到了大量的馴化選擇區間。然而，除了遺傳變異，表觀遺傳也在植物的生長發育過程中起到非常重要的作用。迄今，關於表觀遺傳變異在作物馴化改良中的作用還鮮有報道。

中國科學院遺傳與發育生物學研究所田誌喜研究組等之前對302份大豆品種進行過重測序分析，對大豆馴化改良過程中的 DNA 選擇區間（DNA seleciton region, DSR）進行了精細研究（Zhou et al., 2015Nature Biotechnology）。在此基礎上，為了探索表觀變異在作物馴化改良過程中的作用，研究組成員以表觀遺傳信號中研究最廣泛的 DNA 甲基化為研究對象，對包括9個野生種、12個農家種和24個栽培種在內的45個大豆品種進行了全基因組甲基化測序及分析。

通過亞群之間的甲基化水平比較，研究人員在從野生種到農家種的馴化過程和從農家種到栽培種的改良過程中分別鑒定到4248個和1164個 DNA 甲基化水平發生變化的差異甲基化區間（Differentially Methylated Regions，DMRs）。通過與 DNA 水平選擇區間 DSR 的各項比較，發現 DMR 和 DSR 是兩類完全不同的選擇區間，它們長度差異顯著、極少重疊、染色體分布沒有相關性、基因組結構組成差異大，並且 DMR 含有明顯高的核苷酸多態性。該結果提示大豆馴化改良過程在表觀遺傳水平的選擇和 DNA 水平的選擇似乎是獨立進行的。進一步地，為了明確 DNA 甲基化的選擇是否確實獨立於 DNA 水平的選擇，研究人員對 DMR 與其周圍的遺傳變異（siRNA、TE變異和SNP）進行了關聯分析，發現只有22.54% 的 DMR 能夠被遺傳變異所解釋，說明大豆馴化改良過程中的大部分 DMR 確實是 DNA 甲基化被獨立選擇的結果，它們並不是遺傳變異選擇的副產物。對這些不與遺傳變異關聯的「獨立」 DMR 的功能進行分析時發現，與「獨立」 DMR 特別是馴化過程中的「獨立」 CG-DMR 重疊的基因在碳水化合物通路中顯著富集，並且編碼通路中的所有關鍵調控酶。該發現為 DNA 甲基化在大豆馴化過程中的生物學作用提供了重要的證據。

該研究首次在群體水平對錶觀遺傳在作物馴化中的作用進行了解析，證明 DNA 甲基化可以獨立於 DNA 變異在作物馴化過程中發揮作用，提示表觀遺傳變異確實可以作為一種新的遺傳資源，為培育更優良的作物提供新的思路。

圖: 大豆馴化改良中的 DNA 甲基化變異。A：大豆馴化和改良過程中的 DNA 差異甲基化區間（DMR）鑒定；B：DMR具有高的遺傳多樣性；C：DMR 與遺傳變異的關聯；D：與馴化過程中的「獨立」 CG-DMR 重疊的基因在碳水化合物代謝中富集。

來源：中國科學院遺傳與發育生物學研究所

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