近日，南京農業(yè)大學多倍體團隊在PNAS上發(fā)表了題為“DNA hypomethylation in tetraploid rice potentiates stress-responsive gene expression for salt tolerance”的研究文章，從DNA甲基化和轉錄水平揭示了基因組多倍化如何增強水稻在鹽脅迫環(huán)境中的適應能力。
基因組多倍化（全基因組加倍）在植物的進化過程中普遍發(fā)生。許多植物包括重要農作物都是多倍體，如六倍體小麥、四倍體棉花和馬鈴薯等。雖然水稻，大豆和玉米等作物是二倍體，但它們在進化過程中也經歷過至少一次全基因組加倍事件。有研究表明，基因組多倍化會增強植物對不利環(huán)境的適應，擴大其生存范圍。全基因組加倍也會引起表觀遺傳修飾和轉錄水平的改變，然而這些變化如何增強植物在脅迫環(huán)境中的適應能力仍不清楚。
該研究發(fā)現(xiàn)與二倍體水稻相比，四倍體水稻減少鈉離子的吸收，在鹽脅迫環(huán)境中有更強的存活能力。在四倍體水稻中，基因組的許多位點包括逆境脅迫相關基因的DNA甲基化水平下降（圖1A）。鹽處理后，低甲基化狀態(tài)導致四倍體水稻中鹽脅迫相關基因（茉莉酸合成和信號轉導基因等）更大幅度地激活（圖1B），積累更多的茉莉酸-異亮氨酸。同時，四倍體水稻中逆境脅迫相關基因的激活會誘導鄰近轉座子的激活，引起轉座子區(qū)域甲基化水平升高，以抑制轉座子，維持基因組的穩(wěn)定性（圖1B）。四倍化后DNA甲基化水平下降加強對逆境脅迫的響應，而逆境脅迫后甲基化水平升高抑制轉座子和臨近的逆境脅迫相關基因的表達。這種反饋調控作用增強了四倍體水稻對鹽脅迫的適應能力。在去除鹽脅迫后，四倍體水稻會部分恢復低甲基化狀態(tài)（與二倍體相比）（圖1C）。當再次受到鹽處理時，四倍體水稻中逆境脅迫相關基因的激活幅度仍明顯高于二倍體水稻（圖1D）。而且，兩種不同四倍體水稻都呈現(xiàn)這種DNA甲基化和逆境脅迫相關基因表達的調控機制，表明其普遍性。
該研究首次解析了多倍體水稻增強耐鹽性的表觀遺傳機制，為多倍體物種在進化中增強環(huán)境適應性提供了新的分子機理。南京農業(yè)大學博士研究生王龍飛為文章的第一作者，德克薩斯大學奧斯汀分校教授、南農兼職教授Z. Jeffrey Chen為論文的通訊作者，南京農業(yè)大學資源與環(huán)境科學學院趙方杰教授，農學院宋慶鑫教授，博士生曹帥、王珮同和路克寧為共同作者。
詳情請參閱文章鏈接：https://www.pnas.org/content/118/13/e2023981118
