玉米是異花授粉植物，雜交育種產生典型的生長和產量優勢，而自交（授粉）導致嚴重的衰退現象。雖然玉米雜種優勢在農業生產中廣泛利用，但是自交衰退的機理很不清楚。近日，南京農業大學多倍體雜種優勢研究團隊在Science Advances上發表了題為“An epigenetic basis of inbreeding depression in maize”的研究論文，揭示了玉米自交衰退的表觀遺傳調控機制。
1876年，Darwin首次提出了自交衰退現象。與雜種優勢相反，自交衰退是指連續多代自交引起生長勢、繁殖能力和產量下降的一種現象，在自然界中普遍存在。比如，動物間近親繁殖會產生疾病。目前解釋自交衰退的遺傳假說認為，自交純合性的增加會引起隱性有害基因的暴露和超顯性位點的丟失，從而引起自交衰退。然而很多現象與該假說不符，例如，連續自交10代遺傳上基本純合的玉米系，繼續自交仍然會引起產量持續降低，而雜交可以恢復部分優勢。這些研究表明遺傳學理論無法完全解釋自交衰退。自花授粉擬南芥自交衰退不明顯，然而其甲基化相關基因的突變體在自交過程中表現出明顯的表型衰退。研究發現動、植物的自交或近親繁殖會引起DNA甲基化增加。有趣的是，利用甲基化轉移酶抑制劑5-氮雜胞苷（5-aza-2'-deoxycytidine）處理自交衰退的藍盆花會消除其部分衰退現象。這表明DNA甲基化在自交衰退過程中可能扮演了極其重要的角色，尤其在缺少遺傳多樣性的群體中。
圖1 玉米自交衰退過程中CHH甲基化顯著增加
該研究通過比較玉米不同世代自交群體在第7-第11代（S7-S11）之間，以及自交群體S11與隨機交配群體M11之間的生長勢和DNA甲基化變化，發現自交衰退過程中伴隨著基因上下游CHH甲基化的升高（圖1）。而自交引起的DNA甲基化增加的區域富集Teosinte branched 1/Cycloidea/Proliferating（TCP）結合位點TBS和調控染色可及性的元件。相應的，自交衰退過程中這些DNA甲基化升高的區域表現出染色質可及性的降低，以及兩個抑制性組蛋白修飾H3K27me2和H3K27me3水平的增加。TCP調控的線粒體、葉綠體和核糖體功能相關基因在DNA甲基化增加的基因中顯著富集，并且這些基因的表達隨著DNA甲基化升高而降低。有趣的是，隨機雜交能夠逆轉這些自交誘導的高甲基化和TCP調控基因表達的下降，從而恢復生長勢。隨后，作者利用凝膠阻滯分析（EMSA）、DNA親和純化定量（DAP-qPCR）以及基于CMV-VIGS載體的病毒侵染實驗，證明了玉米自交誘導的啟動子區域的高甲基化會影響ZmTCP蛋白的結合，影響其下游基因的表達，從而表現出生長勢的降低（圖2）。
圖2 TBS位點的高甲基化介導玉米自交衰退
綜上所述，該研究通過多組學聯合分析和分子生化實驗揭示了DNA甲基化介導玉米自交衰退的分子機制，為自交衰退的表觀遺傳調控研究提供了新觀點。南京農業大學農學院博士研究生韓同文，博士畢業生王方（現山東農業大學副教授）為文章的第一作者，德克薩斯大學奧斯汀分校教授Z. Jeffrey Chen為通訊作者，南京農業大學宋慶鑫教授、葉文雪博士，山東農科院玉米所汪黎明研究員、劉鐵山副研究員為共同作者。
論文鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/7/35/eabg5442
日期：2021-09-01
1876年，Darwin首次提出了自交衰退現象。與雜種優勢相反，自交衰退是指連續多代自交引起生長勢、繁殖能力和產量下降的一種現象，在自然界中普遍存在。比如，動物間近親繁殖會產生疾病。目前解釋自交衰退的遺傳假說認為，自交純合性的增加會引起隱性有害基因的暴露和超顯性位點的丟失，從而引起自交衰退。然而很多現象與該假說不符，例如，連續自交10代遺傳上基本純合的玉米系，繼續自交仍然會引起產量持續降低，而雜交可以恢復部分優勢。這些研究表明遺傳學理論無法完全解釋自交衰退。自花授粉擬南芥自交衰退不明顯，然而其甲基化相關基因的突變體在自交過程中表現出明顯的表型衰退。研究發現動、植物的自交或近親繁殖會引起DNA甲基化增加。有趣的是，利用甲基化轉移酶抑制劑5-氮雜胞苷（5-aza-2'-deoxycytidine）處理自交衰退的藍盆花會消除其部分衰退現象。這表明DNA甲基化在自交衰退過程中可能扮演了極其重要的角色，尤其在缺少遺傳多樣性的群體中。
圖1 玉米自交衰退過程中CHH甲基化顯著增加
該研究通過比較玉米不同世代自交群體在第7-第11代（S7-S11）之間，以及自交群體S11與隨機交配群體M11之間的生長勢和DNA甲基化變化，發現自交衰退過程中伴隨著基因上下游CHH甲基化的升高（圖1）。而自交引起的DNA甲基化增加的區域富集Teosinte branched 1/Cycloidea/Proliferating（TCP）結合位點TBS和調控染色可及性的元件。相應的，自交衰退過程中這些DNA甲基化升高的區域表現出染色質可及性的降低，以及兩個抑制性組蛋白修飾H3K27me2和H3K27me3水平的增加。TCP調控的線粒體、葉綠體和核糖體功能相關基因在DNA甲基化增加的基因中顯著富集，并且這些基因的表達隨著DNA甲基化升高而降低。有趣的是，隨機雜交能夠逆轉這些自交誘導的高甲基化和TCP調控基因表達的下降，從而恢復生長勢。隨后，作者利用凝膠阻滯分析（EMSA）、DNA親和純化定量（DAP-qPCR）以及基于CMV-VIGS載體的病毒侵染實驗，證明了玉米自交誘導的啟動子區域的高甲基化會影響ZmTCP蛋白的結合，影響其下游基因的表達，從而表現出生長勢的降低（圖2）。
圖2 TBS位點的高甲基化介導玉米自交衰退
綜上所述，該研究通過多組學聯合分析和分子生化實驗揭示了DNA甲基化介導玉米自交衰退的分子機制，為自交衰退的表觀遺傳調控研究提供了新觀點。南京農業大學農學院博士研究生韓同文，博士畢業生王方（現山東農業大學副教授）為文章的第一作者，德克薩斯大學奧斯汀分校教授Z. Jeffrey Chen為通訊作者，南京農業大學宋慶鑫教授、葉文雪博士，山東農科院玉米所汪黎明研究員、劉鐵山副研究員為共同作者。
論文鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/7/35/eabg5442
日期：2021-09-01
