近日，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)多倍體團(tuán)隊(duì)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(zhuǎn)錄水平揭示了基因組多倍化如何增強(qiáng)水稻在鹽脅迫環(huán)境中的適應(yīng)能力。

 

　　基因組多倍化（全基因組加倍）在植物的進(jìn)化過(guò)程中普遍發(fā)生。許多植物包括重要農(nóng)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?cè)谶M(jìn)化過(guò)程中也經(jīng)歷過(guò)至少一次全基因組加倍事件。有研究表明，基因組多倍化會(huì)增強(qiáng)植物對(duì)不利環(huán)境的適應(yīng)，擴(kuò)大其生存范圍。全基因組加倍也會(huì)引起表觀遺傳修飾和轉(zhuǎn)錄水平的改變，然而這些變化如何增強(qiáng)植物在脅迫環(huán)境中的適應(yīng)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(qiáng)的存活能力。在四倍體水稻中，基因組的許多位點(diǎn)包括逆境脅迫相關(guān)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(dǎo)致四倍體水稻中鹽脅迫相關(guān)基因（茉莉酸合成和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)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(shí)，四倍體水稻中逆境脅迫相關(guān)基因的激活會(huì)誘導(dǎo)鄰近轉(zhuǎn)座子的激活，引起轉(zhuǎn)座子區(qū)域甲基化水平升高，以抑制轉(zhuǎn)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(qiáng)對(duì)逆境脅迫的響應(yīng)，而逆境脅迫后甲基化水平升高抑制轉(zhuǎn)座子和臨近的逆境脅迫相關(guān)基因的表達(dá)。這種反饋調(diào)控作用增強(qiáng)了四倍體水稻對(duì)鹽脅迫的適應(yīng)能力。在去除鹽脅迫后，四倍體水稻會(huì)部分恢復(fù)低甲基化狀態(tài)（與二倍體相比）（圖1C）。當(dāng)再次受到鹽處理時(shí)，四倍體水稻中逆境脅迫相關(guān)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(guān)基因表達(dá)的調(diào)控機(jī)制，表明其普遍性。

 

　　該研究首次解析了多倍體水稻增強(qiáng)耐鹽性的表觀遺傳機(jī)制，為多倍體物種在進(jìn)化中增強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性提供了新的分子機(jī)理。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)博士研究生王龍飛為文章的第一作者，德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校教授、南農(nóng)兼職教授Z. Jeffrey Chen為論文的通訊作者，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院趙方杰教授，農(nóng)學(xué)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(qǐng)參閱文章鏈接：https://www.pnas.org/content/118/13/e2023981118