基因体甲基化调控自然拟南芥群体表型多样性并介导适应性进化

本研究通过整合表观基因组与遗传变异分析，揭示了拟南芥自然群体中基因体甲基化（gbM）独立于DNA序列变异调控基因表达的新机制。研究人员发现gbM与转座子样甲基化（teM）分别影响组成型表达基因和诱导型基因的表达，并通过表观全基因组关联分析（epiGWAS）鉴定出多个与热干旱适应性、开花时间和矿物质积累相关的表观等位基因。该研究首次在自然群体中证实表观遗传变异可直接驱动复杂性状演化，为作物抗逆育种提供了新思路。

　　

在进化生物学研究中，遗传变异一直被认为是物种适应和进化的主要物质基础。然而，表观遗传变异是否以及如何在自然群体中介导表型多样性和适应性进化，长期以来存在争议。虽然DNA甲基化等表观标记可跨代遗传，且人工实验体系中发现表观等位基因影响性状的案例，但自然群体中表观遗传变异的功能性和适应性意义仍不明确。特别是基因体甲基化（gene body methylation, gbM）——即基因编码区CG序列上下文中的甲基化——其进化保守性广泛存在于动植物中，但功能一直存在争论：究竟是无功能的副产物，还是重要的表达调控机制？

针对这一关键科学问题，Zaigham Shahzad等研究人员在自然拟南芥（Arabidopsis thaliana）群体中开展了系统研究。通过对948个自然生态型的甲基组、转录组和多维度表型数据的整合分析，结合遗传学验证实验，研究首次证实gbM是独立于遗传变异的表观遗传调控因子，可直接定量调控基因表达，并介导植物对环境的适应性演化。该研究成果发表于《Nature Plants》期刊，为表观遗传进化提供了直接证据。

研究主要采用以下关键技术方法：基于重亚硫酸盐测序（MethylC-seq）的全基因组DNA甲基化检测，涵盖948个拟南芥自然生态型；RNA测序（RNA-seq）分析625个生态型的叶片转录组；表观全基因组关联分析（epiGWAS）将gbM/teM变异与开花时间、矿物质含量及适应度等复杂性状关联；利用met1甲基转移酶突变体和T-DNA插入突变体进行功能验证；通过混合线性模型（MLM）校正群体结构干扰，并采用贝叶斯统计模型解析表观与遗传变异对表达变异的贡献度。

GbM和teM是独立现象

研究人员首先严格区分了gbM（仅CG甲基化）和teM（含非CG甲基化）两种表观状态。发现每个生态型平均有55%基因呈gbM，33%未甲基化（UM），12%为teM。gbM保守性呈现三组分布：41%基因在>90%生态型中保持gbM，33%基因在10-90%生态型中存在gbM变异，26%基因在≤10%生态型中含gbM。与gbM不同，teM在绝大多数基因中出现频率很低（≤10%生态型），表明teM在自然选择中可能受到抑制。数学模拟显示gbM变异主要源于随机表观波动而非选择约束，证实其表观遗传本质。

GbM和teM解释大量基因表达变异

通过贝叶斯模型分解表达变异来源，发现gbM和SNP分别解释15.8%和16.2%的表达方差，而teM仅贡献1.6%。gbM对广泛表达基因的表达调控作用更强，而teM更影响组织特异性或诱导性基因。这一趋势在trans效应中尤为明显，表明gbM主要参与构成型表达基因网络的调控。

局部基因内甲基化多态性与转录变异相关

共鉴定614个+gbeQTL（gbM与表达正相关）和148个-gbeQTL（负相关）。绝大多数gbM与表达呈正相关，而teM关联多为负相关。通过校正cis-SNP和结构变异（SV）的干扰，证实>80%的+gbeQTL和>60%的-gbeQTL独立于遗传变异。trans遗传变异对teM的影响较大（47.4% teM eQTL受trans-QTL调控），但对gbM变异解释度极低（仅~1%），凸显gbM变异的表观遗传自主性。

GbM缺失定量影响eQTL^gbM基因表达

分析met1突变体的转录组数据发现：野生型中甲基化的+gbeQTL基因在met1中表达下调（至WT的88%），而-gbeQTL基因表达上调（至WT的109%）。gbM水平与met1中表达变化呈定量关系：高gbM基因在met1中表现出更强的表达改变。此外，在gbM部分缺失的h1met1^+/-杂合体中，发生去甲基化的+gbeQTL基因表达显著降低（-35%），直接证明gbM对表达的促进作用。

GbM变异助力新功能基因的高效发现

通过epiGWAS分析，鉴定到1个gbM数量性状位点（QTL^gbM）与马德里热旱逆境适应度相关，8个与开花时间相关，19个与叶片矿物质积累相关。与遗传QTL极少重叠（除FLC和FRI外），表明甲基化变异独立贡献表型多样性。对FLC、PROT1和ANH（AT1G19410）等案例进行深入验证：

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  FLC的gbM等位型在多个单倍型中显著延迟开花（>18天）并提高FLC表达；

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  PROT1（+eQTL^gbM） inactivation导致热旱联合胁迫下适应度降低35%，生物量和存活率下降；

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  ANH（-eQTL^teM） inactivation显著提高热胁迫下的适应度（>2倍）和繁殖力。

  通过突变体验证，16/18（89%）的gbM QTL^gbM基因被确认表型关联，显著高于遗传GWAS的定位效率（仅54% top-SNP位于验证基因内），凸显epiGWAS在基因发掘中的高效性。

GbM变异可能促进局部适应

表观-环境关联分析发现57个基因的gbM状态与51个环境变量显著相关。gbM等位型在温暖干燥、高蒸腾需求地区更常见，而UM等位型偏好寒冷湿润环境。例如：

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  胞质碳酸酐酶（CA1）和铜伴侣（CCS）的gbM与干旱、温度正相关；

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  冷激蛋白（CHY1）gbM与低温负相关；

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  FLC的UM等位型与大气NO₂浓度显著相关（R²=0.68），且NO₂与实验室开花时间高度线性相关（R²=0.67），表明gbM变异可能帮助群体快速适应人为氮污染带来的环境变化。

研究结论与意义

该研究系统证实了自然群体中表观遗传变异的功能独立性和适应性意义：gbM通过直接定量调控基因表达，广泛贡献于复杂性状变异；其高突变率（较SNP高10⁵倍）和快速周转特性使epiGWAS能够精准定位性状相关基因；与地理环境因子的关联暗示gbM变异可能介导群体对快速环境变化（如人为氮排放）的适应。这一发现拓展了现代综合进化理论，为作物表观遗传育种提供了新策略，并建立了表观基因组-环境互作研究范式。