通过多组学整合技术解析高地棉花（Gossypium hirsutum L.）中由表观遗传因素驱动的异质性

《Functional & Integrative Genomics》：Decoding epigenetic drived heterosis in upland cotton (Gossypium hirsutum L.) through Multi-omics integration

棉花杂种优势的表观遗传与基因表达调控机制研究

摘要

叶片是植物中主要的光合器官，为理解杂种优势背后的遗传和表观遗传机制提供了关键线索。本研究系统地分析了两种不同棉花杂交种的叶片表型特征、基因表达谱以及通过甲基化模式、miRNAs和lncRNAs实现的表观遗传调控，从而建立了一个用于杂种优势分析的新多组学框架。我们的主要创新在于阐明了表达水平优势（Expression Level Dominance, ELD）及其对杂种优势表现的差异性影响。Z41S杂交种表现出更强的表型杂种优势，这与较高的过显性（over-dominant, OD）、欠显性（under-dominant, UD）和父本基因表达（ELD-P）相关；相比之下，B985S杂交种则主要表现出母本基因表达模式（ELD-M）。我们发现CHH型甲基化变异是影响两种杂交种中显性基因表达的主要表观遗传调控因子。差异甲基化区域（Differentially Methylated Regions, DMRs）、相似甲基化区域（Similarly Methylated Regions, SMRs）以及可移动元件的分布显著影响了与杂种优势相关的基因调控，尤其是通过基因体修饰的方式。此外，多组学数据的联合分析表明，包括丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶基因、含有锌指BED结构域的蛋白质RICESLEEPER 3/2、蛋白酪氨酸激酶Myosin-6（Myh6）、AGO2、RGA3、LRR和NB-ARC在内的九个基因受到miRNAs、lncRNAs或DNA甲基化的多重表观遗传调控，这些基因在棉花杂交种中强杂种优势的表现中起着关键作用。这些发现确立了三个重要贡献：（1）一个整合了棉花杂种优势的基因组与表观遗传调控的综合性模型；（2）确定了亲本特异性的ELD模式作为杂交种表现的分子预测因子；（3）将CHH型甲基化确定为杂种优势表现中的关键表观遗传决定因素。我们的结果为通过靶向调控遗传和表观遗传因素来优化杂交育种策略提供了变革性的理论框架。