生长加速提升树木体细胞表观突变率——来自150年欧洲水青冈实验的证据

《Nature Communications》：Accelerated growth increases the somatic epimutation rate in trees

本研究通过150年欧洲水青冈(Fagus sylvatica L.)长期疏伐实验，首次证实生长加速会显著提高树木主干和侧枝的体细胞CG表观突变率。研究发现疏伐处理使树木年生长率从8.1 cm2 yr-1提升至16.4 cm2 yr-1，同时全基因组CG表观突变率增加1.22倍，基因体甲基化(gbM)基因区域更达1.66倍。该结果支持"有丝分裂速率假说"，揭示生长速率与表观基因组稳定性间的权衡机制，为理解长寿植物基因组维持策略提供新视角。

　　

在植物王国中，树木以其惊人的长寿特性独树一帜。一些树种能够存活数千年，这种超越常规的生命周期使它们成为研究长期生物学过程的理想模型。然而，长寿也带来独特的挑战：随着时间推移，体细胞中不断积累的遗传突变和表观遗传变异可能对个体健康产生负面影响。有趣的是，比较基因组学研究显示，长寿树种的年突变率显著低于短命植物，例如毛果杨(Populus trichocarpa)的CG表观突变率(-0.08 × 10^-4/CG/年)比拟南芥(Arabidopsis thaliana)(-9.3 × 10^-4/CG/年)低约两个数量级。这种差异引出了一个核心科学问题：长寿树种是如何在漫长生命周期中维持基因组稳定性的？

有丝分裂速率假说(mitotic-rate hypothesis)为这一问题提供了可能的解释。该假说认为，长寿物种通过减缓生长速率和降低单位时间内的细胞分裂次数，来减少DNA复制过程中错误的积累。然而，直接验证这一假说面临技术挑战，特别是在成熟树木中实时监测顶端分生组织(stem apical meristem, SAM)的细胞分裂活动极为困难。

为解决这一难题，研究人员巧妙利用了一项持续150年的生态实验——德国Fabrikschleichach 15(FAB 15)欧洲水青冈长期疏伐实验。该实验始于1870/1871年，在一片48年生的水青冈林中设置了未疏伐、中度疏伐和重度疏伐三种处理，并定期进行生长监测。到2020年，不同处理区的树木表现出显著差异的生长速率：未疏伐区年均基面积增长量为8.1 cm² yr^-1，中度疏伐区为12.2 cm² yr^-1，而重度疏伐区高达16.4 cm² yr^-1。这种设计为研究生长速率与表观突变积累的关系提供了独一无二的天然实验场。

研究人员从中度疏伐区和重度疏伐区各选择一株代表性树木（分别为109号和171号）进行深入分析。尽管两棵树年龄相同，但生长特征差异显著：171号树虽然高度略低（39.2米 vs 42.4米），但胸径处直径大1.3倍（72.3厘米 vs 55.1厘米），树冠投影面积更是109号树的2.83倍。通过木材解剖学分析发现，171号树每个年轮包含的细胞数量更多、细胞体积更大，表明其细胞分裂速率更高。

为探究生长加速对表观突变率的影响，研究团队采用多组学方法，包括全基因组亚硫酸氢盐测序(whole genome bisulfite sequencing, WGBS)、木材解剖学分析和计算生物学建模。样本包括来自不同处理区树木的形成层组织和叶片，通过精细的树形拓扑重建，能够追溯每个样本的细胞谱系历史。

主要实验方法

研究依托Fabrikschleichach 15长期疏伐实验的欧洲水青冈样本，包括来自不同疏伐强度的形成层和叶片样本。通过木材解剖学方法定量年轮细胞数量，使用全基因组亚硫酸氢盐测序(WGBS)技术检测DNA甲基化模式，应用jDMR算法识别单甲基化多态性(SMPs)和差异甲基化区域(DMRs)，并利用AlphaBeta软件估算表观突变率。特别关注了基因体甲基化(gbM)基因中的CG位点，这些位点主要由甲基转移酶1(METHYLTRANSFERASE 1, MET1)维持，与DNA复制过程密切相关。

生长加速伴随细胞分裂速率增加

对109号和171号树的木材解剖分析揭示了生长速率差异的细胞基础。研究人员通过深度学习算法CARROT对木材显微图像进行定量分析，发现171号树每年产生的木质部细胞数量显著高于109号树。累积细胞数量与树木累积生长曲线高度相关(r=0.96)，表明生长加速确实伴随着细胞分裂速率的增加。这一发现为有丝分裂速率假说提供了直接证据，即疏伐处理通过促进细胞分裂而非仅扩大细胞体积来加速生长。

主干中表观突变积累增加

形成层细胞是顶端分生组织衍生细胞谱系的终点。研究人员在树干1.3米高度处采集形成层样本，每个树干采集三个样本：同一侧的两个相邻重复样本和对面一侧的单个样本。通过WGBS分析发现，重度疏伐区树木树干两侧样本间的甲基化差异是中度疏伐区的2.64倍，而同一侧的重复样本间差异无显著区别。这一结果表明，生长加速导致的细胞分裂增加确实促进了体细胞表观突变的积累。

侧枝中表观突变积累增加

为验证这一效应是否普遍存在于树木全身，研究人员进一步分析了侧枝中的表观突变积累。他们采用了一种基于DNA甲基化数据的系统发育方法，通过比较树冠不同位置叶片样本的甲基化差异，重建细胞谱系历史。研究人员从每棵树选择多个叶片样本，覆盖树冠的三维分支结构，并通过分支盘确定每个分支的年龄。

基于单甲基化多态性(SMPs)和差异甲基化区域(DMRs)的无监督聚类分析成功重建了每棵树的分支拓扑结构，表明这些表观遗传标记能够准确记录细胞谱系历史。分析显示，CG甲基化差异随分支时间增加而逐渐增大，但171号树的增长速率明显快于109号树。

通过AlphaBeta软件定量估计表观突变率，发现171号树的全基因组CG获得率(α)和丢失率(β)平均比109号树高1.22倍。在基因体甲基化(gbM)基因区域，这一差异更加明显，达到1.66倍。值得注意的是，尽管表观突变率存在差异，两棵树的全基因组CG甲基化稳态水平非常相似，这与理论预测一致——当获得率和丢失率成比例增加时，稳态甲基化水平保持不变。

讨论与意义

本研究为有丝分裂速率假说提供了直接证据，表明生长速率和细胞分裂次数是调控体细胞表观突变积累的关键因素。这一机制解释了为何长寿树种的年表观突变率显著低于短命植物——通过减缓生长速率，树木延迟了潜在有害体细胞变异的积累。

与哺乳动物研究中强调DNA修复机制效率差异的观点不同，本研究关注的是表观突变，其发生频率比DNA突变高约四个数量级，且主要源于甲基转移酶在细胞分裂过程中的错误。因此，增强DNA修复能力不太可能解释植物间表观突变率的差异。

研究还观察到，快速生长的171号树不仅细胞分裂速率更高，细胞体积也更大。这提出了一个有趣的可能性：细胞大小和代谢活动的增加可能通过影响甲基化维持的代谢成本，间接贡献于表观突变率的提升。这一观察将研究结果与生物能量学框架联系起来，表明生长速率与表观基因组完整性保存之间存在权衡关系。

与"年龄驱动假说"(age-driven hypothesis)不同——该假说认为体细胞变异积累仅取决于 chronological age而非发育时间——本研究结果显示，相同年龄但生长速率不同的树木表现出显著不同的表观突变率。这表明发育动力学而非单纯的时间流逝是主要驱动因素。

研究结果对森林管理和保护具有重要启示。随着人为压力增加和气候变化改变树木生长模式，理解生长速率与基因组稳定性间的权衡关系至关重要。加速生长可能带来短期收益，但可能以长期基因组完整性为代价。本研究为制定可持续森林管理策略提供了科学依据，强调需要在生长速度和遗传保真度之间寻求平衡。

此外，由于体细胞CG表观突变能够跨代遗传，本研究还揭示了单个树木内部的发育过程如何影响种群水平上表观遗传多样性的长期动态。这为理解植物进化提供了新视角，表明个体发育过程与宏观进化模式之间存在密切联系。

这项发表在《Nature Communications》上的研究不仅增进了我们对长寿植物基因组维持机制的理解，也为应对全球变化背景下森林生态系统的可持续管理提供了重要科学依据。