玉米热胁迫响应中N6-甲基腺嘌呤DNA甲基化的动态调控机制与耐热性预测

中国农业科学院团队针对玉米耐热性差异问题，通过全基因组6mA甲基化图谱分析，揭示热胁迫下6mA在Mo17品系中的积累与基因抑制相关，鉴定出关键去甲基化酶ZmALKBH1，并开发基于卷积神经网络的耐热性预测模型，为作物表观遗传调控和抗逆育种提供新靶点。

　　

随着全球气候变化加剧，高温胁迫已成为威胁玉米产量的重要因素。传统研究多聚焦于5-甲基胞嘧啶(5mC)的表观调控机制，而对DNA中N⁶-甲基腺嘌呤(6mA)在植物逆境响应中的作用知之甚少。玉米作为全球主要粮食作物，不同品系间耐热性存在显著差异，但决定这种差异的表观遗传基础尚未阐明。

中国农业科学院生物技术研究所的研究团队在《Cell Reports》发表的研究，首次绘制了玉米耐热品系Mo17和敏感品系B73在热胁迫下的全基因组6mA动态图谱。研究发现热胁迫诱导Mo17中6mA特异性积累，且与关键热响应基因（如ZmCsIF6-2和ZmDGSB）的转录抑制相关。通过EMS突变体筛选，鉴定出玉米6mA去甲基化酶ZmALKBH1，其功能缺失导致6mA水平升高并增强耐热性。研究创新性地构建卷积神经网络模型，成功预测W22等品系的6mA分布与耐热表型。

研究采用6mA免疫沉淀测序(6mA-IP-seq)分析甲基化动态，结合RNA-seq解析转录调控网络，通过LC-MS/MS定量6mA丰度，并利用CRISPR-Cas9技术构建zmalkbh1突变体验证功能。全基因组关联分析涵盖B73、Mo17、W22和B104四个品系，通过比较基因组学揭示6mA标记基因的物种特异性分布特征。

6mA甲基化在热胁迫下的动态变化
热胁迫诱导Mo17品系6mA水平从0.13‰升至0.16‰，而B73则从0.1‰降至0.056‰。6mA-IP-seq显示88%的6mA位点位于基因间区，且在LTR反转录转座子中富集。

6mA与基因表达的负相关性
74.28%的低表达基因携带6mA标记，6mA修饰基因表达量显著低于非修饰基因（p<2.2×10^-16）。热胁迫下Mo17中606个6mA高甲基化基因表达下调（p=2.29×10^-4）。

关键热响应基因的表观调控
ZmCsIF6-2和ZmDGSB启动子区6mA水平在Mo17热胁迫后显著升高（p<0.01），伴随表达量分别下降28.6倍和显著抑制（p<0.05）。

ZmALKBH1的功能验证
zmalkbh1突变体6mA水平升高1.23倍，株高降低但耐热性增强，存活率提高37%（p<0.001）。RNA-seq显示突变体中17.2%的差异表达基因受6mA直接调控。

跨品系耐热性预测模型
CNN模型对6mA分布的预测准确率达0.92（AUC），成功预测W22品系的耐热性，其热诱导6mA增幅达23%，显著高于B73。

该研究系统阐明了6mA在作物环境适应中的调控机制，突破性地将表观遗传标记与机器学习相结合，为分子设计育种提供了新思路。发现的ZmALKBH1靶点与预测模型，对开发耐热玉米品种具有重要应用价值。研究建立的6mA分析框架，为其他作物的表观遗传研究提供了方法论参考。