雜交和回交是常用的動、植物育種手段。雜交引起的父母基因互作導致遺傳和表觀遺傳變異，比如經典的副突變（paramutation）可以跨代遺傳。但是，由表觀遺傳引起的跨代遺傳的機理缺乏全基因組水平上的研究。2月9日，南京農業大學多倍體雜種優勢研究團隊在Genome Biology（IF=13.583）上發表了題為Small RNAs mediate transgenerational inheritance of genome-wide trans-acting epialleles in maize的研究論文，揭示了玉米雜交誘導全基因組可跨代遺傳的表觀遺傳現象及其調控機制。
表觀遺傳變異不受DNA序列控制，但由DNA甲基化、組蛋白修飾和小RNA等調控，被稱之為“軟遺傳”，對動、植物應對內、外因素（包括雜交、基因組互作、外界環境刺激等）具有很高的可塑性。上世紀50年代在玉米和高粱中報道的副突變現象就是一個經典的雜交誘導DNA甲基化變異跨代遺傳的實例。副突變現象在動物小鼠中也有報道，但對于其發生的機制并未進行系統性的全基因組水平上的研究。
本研究在玉米自交系B73和Mo17的雜交種F1中鑒定到數千個受雜交誘導的DNA甲基化變異位點，其中有數百個位點的DNA甲基化狀態可以一直傳遞到回交系第9代（回交6次及自交3次）（圖1），被稱為雜交誘導可跨代遺傳的DNA甲基化。這些可傳代DNA甲基化位點（表觀位點，epiallele）的甲基化狀態來自于其非輪回親本，雖然DNA序列基本上（>99%）被替換為輪回親本。并且主要發生在基因的上、下游附近，可能調控附近基因（表觀基因，epigene）的表達。
圖1：玉米雜交誘導的DNA甲基化變異在回交后代中多代遺傳
進一步研究表明，這些表觀位點與24-nt干擾小RNA（siRNAs）位點有關（圖2）。線蟲在外界食物刺激下，神經系統會產生一類可以連續傳遞至少4代的小RNA，并指導后代的弊害行為。在植物中，這些siRNA會通過RdDM途徑誘導DNA非對稱的胞嘧啶（CHH）甲基化，可以轉變為穩定的甲基化并遺傳。在玉米中，控制小RNA形成的副突變調控基因（MOP1）調節b1位點的副突變現象。本研究發現，在24-nt siRNA表達缺陷突變體的雜交種F1:mop1-1中，雜交誘導的DNA甲基化位點的甲基化變異在F1:mop1-1完全消失，表明24nt siRNA對這些位點的DNA甲基化變異建立和跨代遺傳起到重要作用。因此，雜交誘導小RNA產生反式變化（trans-acting）的DNA甲基化位點，可以跨代遺傳。該表觀位點跨代遺傳規律在野生玉米（大芻草）和玉米（W22）的種間雜交及回交組合中同樣得到證明，也與24nt siRNA的表達位點（RdDM靶位點）有關。轉錄組表達研究表明，這些表觀位點和表觀基因的表達有關，很多表觀基因與環境脅迫相關。一些副突變基因如b1控制色素形成也與環境脅迫相關。
圖2：玉米雜交誘導可傳代DNA甲基化
綜上所述，該研究通過系統的雜交、回交和多組學聯合分析，揭示了玉米表觀變異位點的形成和跨傳代遺傳的分子機制，以及表觀基因表達對植物生長和環境響應的影響，為作物與動物育種提供新觀點。
南京農業大學農學院博士研究生曹帥為文章的第一作者，德克薩斯大學奧斯汀分校教授Z. Jeffrey Chen和南京農業大學農學院宋慶鑫教授為共同通訊作者，南京農業大學王龍飛、韓同文、葉文雪、劉陽，和山西農業大學生科院生物中心孫毅研究員、伊利諾伊大學作物科學研究所Stephen P. Moose教授為共同作者。
文章鏈接： https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-022-02614-0
日期：2022-02-14
表觀遺傳變異不受DNA序列控制，但由DNA甲基化、組蛋白修飾和小RNA等調控，被稱之為“軟遺傳”，對動、植物應對內、外因素（包括雜交、基因組互作、外界環境刺激等）具有很高的可塑性。上世紀50年代在玉米和高粱中報道的副突變現象就是一個經典的雜交誘導DNA甲基化變異跨代遺傳的實例。副突變現象在動物小鼠中也有報道，但對于其發生的機制并未進行系統性的全基因組水平上的研究。
本研究在玉米自交系B73和Mo17的雜交種F1中鑒定到數千個受雜交誘導的DNA甲基化變異位點，其中有數百個位點的DNA甲基化狀態可以一直傳遞到回交系第9代（回交6次及自交3次）（圖1），被稱為雜交誘導可跨代遺傳的DNA甲基化。這些可傳代DNA甲基化位點（表觀位點，epiallele）的甲基化狀態來自于其非輪回親本，雖然DNA序列基本上（>99%）被替換為輪回親本。并且主要發生在基因的上、下游附近，可能調控附近基因（表觀基因，epigene）的表達。
圖1：玉米雜交誘導的DNA甲基化變異在回交后代中多代遺傳
進一步研究表明，這些表觀位點與24-nt干擾小RNA（siRNAs）位點有關（圖2）。線蟲在外界食物刺激下，神經系統會產生一類可以連續傳遞至少4代的小RNA，并指導后代的弊害行為。在植物中，這些siRNA會通過RdDM途徑誘導DNA非對稱的胞嘧啶（CHH）甲基化，可以轉變為穩定的甲基化并遺傳。在玉米中，控制小RNA形成的副突變調控基因（MOP1）調節b1位點的副突變現象。本研究發現，在24-nt siRNA表達缺陷突變體的雜交種F1:mop1-1中，雜交誘導的DNA甲基化位點的甲基化變異在F1:mop1-1完全消失，表明24nt siRNA對這些位點的DNA甲基化變異建立和跨代遺傳起到重要作用。因此，雜交誘導小RNA產生反式變化（trans-acting）的DNA甲基化位點，可以跨代遺傳。該表觀位點跨代遺傳規律在野生玉米（大芻草）和玉米（W22）的種間雜交及回交組合中同樣得到證明，也與24nt siRNA的表達位點（RdDM靶位點）有關。轉錄組表達研究表明，這些表觀位點和表觀基因的表達有關，很多表觀基因與環境脅迫相關。一些副突變基因如b1控制色素形成也與環境脅迫相關。
圖2：玉米雜交誘導可傳代DNA甲基化
綜上所述，該研究通過系統的雜交、回交和多組學聯合分析，揭示了玉米表觀變異位點的形成和跨傳代遺傳的分子機制，以及表觀基因表達對植物生長和環境響應的影響，為作物與動物育種提供新觀點。
南京農業大學農學院博士研究生曹帥為文章的第一作者，德克薩斯大學奧斯汀分校教授Z. Jeffrey Chen和南京農業大學農學院宋慶鑫教授為共同通訊作者，南京農業大學王龍飛、韓同文、葉文雪、劉陽，和山西農業大學生科院生物中心孫毅研究員、伊利諾伊大學作物科學研究所Stephen P. Moose教授為共同作者。
文章鏈接： https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-022-02614-0
日期：2022-02-14
