大麦未成熟胚愈伤组织形成过程中DNA甲基化动态调控基因表达的分子机制

本研究针对大麦转化效率低的瓶颈问题，通过RNA-seq和WGBS技术系统解析了Golden Promise品种未成熟胚愈伤诱导过程中DNA甲基化（5mC）与基因表达的动态关联。发现CG/CHG/CHH三种序列背景下差异甲基化区域（DMRs）与879/229/2020个差异表达基因（DEGs）相关，其中HvKRP4、HvCYCD1;1等再生关键基因的启动子甲基化水平与转录丰度呈负相关。DNA甲基转移酶抑制剂5-Aza-dC处理证实甲基化通过调控细胞周期和ABA信号通路影响愈伤形成，为提升单子叶植物遗传转化效率提供了新思路。

　　

大麦作为全球第四大粮食作物，其遗传转化效率却长期受制于组织培养再生困难这一瓶颈。尽管春性品种Golden Promise是目前最易转化的基因型，但转化成功率仍高度依赖未成熟胚或花药等特定外植体。更令人困扰的是，不同品种间再生能力差异显著，这严重阻碍了基因编辑等现代生物技术在大麦育种中的应用。究其根源，愈伤组织形成过程中细胞命运转变的分子机制，特别是表观遗传调控网络的作用仍不明确。

为破解这一难题，浙江大学的研究团队聚焦大麦未成熟胚愈伤诱导过程，通过多组学联用揭示了DNA甲基化动态变化对基因表达的调控规律。研究发现不仅为理解单子叶植物细胞重编程提供了新见解，更为定向改造再生相关基因的表观遗传标记以提升转化效率提供了理论依据。相关成果发表在《BMC Plant Biology》上。

研究采用全基因组甲基化测序（WGBS）和转录组测序（RNA-seq）技术，对Golden Promise品种未成熟胚（IME 0）及其诱导9天的愈伤组织（IME 9）进行对比分析。通过5-Aza-dC处理实验验证甲基化功能，结合生物信息学方法系统解析了甲基化与基因表达的关联模式。

研究结果首先在"差异表达DNA甲基转移酶和去甲基化酶基因"部分揭示：愈伤诱导2天后，甲基转移酶基因HvMET1和HvCMT3表达分别上调3.3倍和10倍，而DNA去甲基化酶HvROS1a也显著上调3.6倍，暗示甲基化系统正在进行动态重编程。

"全基因组DNA甲基化谱变化"部分显示：愈伤组织中总5mC水平轻微下降（从IME 0的53.04%降至IME 9的25.47%），其中CHH甲基化降幅最显著（3.60%→3.16%）。基因富集区域甲基化水平普遍低于转座子（TE）富集区，且在转录起始位点（TSS）和终止位点（TTS）呈现明显低谷。

通过"DNA甲基化富集与基因转录水平的共分析"发现：879个CG-DEGs、229个CHG-DEGs和2020个CHH-DEGs与差异甲基化区域（DMRs）相关。特别值得注意的是，启动子区（TSS上游2kb）的CHH甲基化变化与基因表达呈显著负相关，如193个上调基因伴随CG甲基化降低，1111个上调基因伴随CHH甲基化减少。

"再生相关基因DNA甲基化富集与转录水平的负相关"部分鉴定出12个关键调控因子：包括细胞周期基因HvCYCD1;1（CHH甲基化降低19.5%）、根尖分生组织标记基因HvWOX5（启动子甲基化降低与表达上调相关）等。BSP实验证实HvRAP2.6L/ERF113、HvWIND4等基因的启动子甲基化动态与表达量呈负相关。

最后的"5-Aza-dC抑制大麦胚愈伤形成"实验表明：10μM 5-Aza-dC处理使基因组总甲基化降至对照的25%，愈伤鲜重减少37%。转录组分析发现2628个（2天）和1224个（9天）差异表达基因，主要富集在细胞周期和ABA信号通路。

这项研究首次系统描绘了大麦愈伤形成过程中的表观遗传景观，揭示DNA甲基化通过三种序列特异性模式（CG/CHG/CHH）动态调控再生相关基因的表达。特别重要的是，发现启动子区CHH甲基化对HvKRP4、HvWOX5等关键基因的负调控作用，这为理解单子叶植物再生障碍提供了新视角。研究提出的"甲基化编辑"策略——通过定向调控特定基因的表观遗传标记来增强再生能力，为突破大麦基因型依赖的转化瓶颈提供了创新思路。未来结合染色质可及性（ATAC-seq）和组蛋白修饰（CUT&Tag）等多维组学数据，将有助于构建更完整的植物再生表观调控网络。