静水压处理诱导的水稻可遗传变异与转座子激活、DNA甲基化改变及转录重编程相关

《Plant Cell Reports》：Hydrostatic pressure-induced heritable variation in rice is associated with transposon mobilization, DNA methylation changes, and transcriptional reprogramming

关键信息：静水压处理与水稻持续的表型变异相关，伴随转座子激活、DNA甲基化改变及转录重编程，这些变化在自交九代后仍可检测到。 摘要：环境胁迫可诱导遗传和表观遗传变化，从而促成表型变异，在某些情况下这些变化可能跨世代持续存在。然而，静水压是否能在植物中产生长期持续的分子和表型变异，目前仍知之甚少。本研究考察了一个源自静水压处理种子的水稻品系（HPM），该品系通过自交维持了九代。与野生型品种JL307相比，HPM植株表现出显著降低的株高、分蘖数和结实率。为探究这些表型差异的分子基础，研究人员综合分析了转座子激活、DNA甲基化和基因表达。转座子展示（transposon display）分析表明MITE转座子mPing仍具移动性；全基因组重测序鉴定出255个候选HPM特异性转座元件插入位点，主要分布于LTR反转录转座子家族Dasheng和Hopi中；在所取样的CCGG位点检测到DNA甲基化改变，其中以低甲基化（hypomethylation）为主；并发现广泛的转录重编程，涉及大量胁迫响应基因和转录因子家族，包括WRKY、MYB、ERF/AP2、NAC、bHLH和VQ。这些分子变化伴随的表型差异在第九代自交后代中仍可检测到。上述发现表明，静水压处理可能与水稻自交品系中持续存在的变异相关，该变异在自交九代后仍可检测到，并伴随转座子激活、DNA甲基化改变和转录重编程，为进一步研究植物中胁迫相关的可遗传变异及其在作物改良中的潜在应用奠定了基础。

论文解读

一、研究背景与科学问题

植物在生长发育过程中经常遭遇各种环境胁迫，这些胁迫不仅引发即时的生理响应，还可能诱导细胞调控网络的持久性改变，部分胁迫相关效应可传递至后续世代。此类跨代与世代间响应通常与表观遗传机制相关，包括DNA甲基化、组蛋白修饰及小RNA介导的途径，这些机制可在不改变DNA序列的前提下改变基因表达。转座元件（transposable elements, TEs）是植物基因组的重要组成成分，也是遗传变异的重要来源。在正常条件下，大多数转座元件通过DNA甲基化和抑制性染色质修饰维持转录沉默状态，而环境胁迫可破坏这种沉默，释放转座元件使其发生转座并改变邻近基因的表达。在众多非生物胁迫中，静水压对植物的生物学效应研究相对匮乏。已有报道表明，静水压处理可影响水稻种子萌发、幼苗生长和基因表达，并可触发mPing及其自主元件Pong的体内转座。然而，静水压相关的分子变化能否跨越多世代持续存在并促成持久变异，此前尚不清楚。基于前期工作中静水压处理刺激水稻mPing和Pong转座的发现，研究人员从同一实验体系中获得了一个静水压衍生水稻品系（HPM），该品系经九代自交维持，表现出稳定的株高降低和结实率下降。据此提出假设：静水压处理可诱导持久的转座子激活和DNA甲基化改变，这些变化与水稻持久的表型变异相关。

二、研究内容与主要结论

为验证上述假设，研究人员对HPM品系进行了表型、基因组、表观遗传和转录组水平的综合表征。结果表明，与野生型JL307相比，HPM品系在株高、分蘖数和结实率方面均表现出显著差异，且这些表型差异在第九代自交后仍清晰可辨。分子层面，转座子展示分析显示mPing仍保持移动性；全基因组重测序鉴定出255个候选HPM特异性转座元件插入位点，主要集中于LTR反转录转座子家族Dasheng和Hopi；MSAP分析检测到所取样CCGG位点的DNA甲基化改变，以低甲基化为主；基因表达谱分析发现广泛的转录重编程，涉及大量胁迫响应基因和多个转录因子家族。这些发现首次证明，静水压处理可在一个自交水稻品系中产生持续多世代的多层次分子变异，为理解胁迫相关可遗传变异提供了新视角，也为静水压作为物理诱变剂在水稻育种中的应用提供了理论基础。

三、主要关键技术方法

研究人员将静水压处理（100 MPa，15 min，室温）后的JL307水稻种子连续自交九代获得HPM品系，并以第九代植株为材料开展以下分析：转座子展示（transposon display, TD）分析，使用29对引物组合评估mPing转座活性；全基因组重测序（whole-genome resequencing），基于Illumina HiSeq 2000平台，通过配对末端作图（paired-end mapping, PEM）策略鉴定候选转座元件插入位点；甲基化敏感扩增多态性（methylation-sensitive amplified polymorphism, MSAP）分析，使用20对选择性引物组合评估CCGG位点的甲基化变异；位点特异性重亚硫酸盐测序（locus-specific bisulfite sequencing），对4个上调基因的启动子区域进行甲基化分析；以及基于Affymetrix水稻基因组芯片的基因表达谱分析，以3个生物学重复比较HPM与野生型的转录差异。

四、研究结果

静水压衍生后代的表型改变：田间表型测定显示，HPM品系平均株高为90.93 ± 4.65 cm，显著低于野生型的97.91 ± 4.57 cm；平均分蘖数从野生型的29.79 ± 9.10降至HPM的20.27 ± 5.30；结实率差异最为显著，HPM平均结实率为61.63 ± 40.77%，远低于野生型的97.05 ± 2.93%。值得注意的是，HPM的结实率呈双峰分布，84株中有37株（44%）表现严重降低的结实率，其余植株与野生型大体相当。

HPM中的转座子相关基因组变异及候选TE插入：转座子展示分析在4个独立HPM植株中均检测到新增和缺失条带，TD多态性频率为0.82%–0.91%。全基因组重测序共鉴定出约255个候选HPM特异性插入位点，其中Dasheng家族（73个插入）和Hopi家族（44个插入）最为活跃，Osr29（17个）和Echidne（16个）次之。大多数新插入元件属于LTR反转录转座子家族，表明转座子激活在自交九代后仍可检测到。

HPM中的DNA甲基化改变及其与基因表达变化的关联：MSAP分析在1189个可重复片段中检测到CG和CHG位点的超甲基化和低甲基化事件。低甲基化频率在CG位点为2.94%–3.28%，在CHG位点为1.60%–2.02%；超甲基化频率在CG和CHG位点分别为1.09%–1.60%和0.50%–0.93%。总体而言，低甲基化事件在所有4个HPM植株中均多于超甲基化事件。对4个上调基因的启动子进行重亚硫酸盐测序发现，其中3个基因（LOC_Os03g08320、LOC_Os06g48870、LOC_Os02g48770）的启动子甲基化水平显著降低，其中LOC_Os02g48770的启动子甲基化水平从野生型的23.01%降至HPM的2.81%。这些甲基化变化与转录本丰度增加同时发生，支持甲基化缺失与转录激活之间的关联。

HPM品系中的转录重编程：微阵列分析共鉴定出1079个候选差异表达探针（倍数变化≥2，未校正P<0.05），其中305个在Benjamini-Hochberg校正后仍显著（FDR<0.05）。功能注释显示，大量差异表达基因编码转录调控因子和胁迫响应蛋白。WRKY（12个）、ERF/AP2（9个）、MYB（8个）和VQ（5个）等转录因子家族最为丰富。多个胁迫相关基因显著上调，其中WRKY71表达增加25.98倍，GST42增加79.34倍。qRT-PCR验证了12个选定基因的表达变化方向与微阵列结果一致。

五、讨论与结论

讨论部分指出，HPM品系在第九代自交后仍表现出显著的表型差异，表明静水压处理相关的变异至少持续了九代。转座子激活方面，TD分析和全基因组重测序的联合证据表明静水压处理与大量转座子激活相关，LTR反转录转座子通过复制-粘贴机制可在有限激活事件后产生多个新插入，Dasheng和Hopi家族的优先扩增与此一致。表观遗传方面，MSAP检测到的低甲基化趋势与先前报道的环境胁迫伴随DNA甲基化模式改变一致；3个位点的启动子甲基化降低与转录本增加同时发生，支持甲基化与基因表达之间的负向关联。综合来看，转座子相关基因组变异、DNA甲基化改变和转录重编程在HPM品系中共存，表明静水压处理与多层次的分子变异相关，但各分子过程之间的因果关系尚无法从现有数据确定。

研究结论：静水压处理可在水稻自交品系中产生持续的多层次分子变异，涵盖转座子激活、DNA甲基化改变和转录重编程，这些变化与长期表型差异共存，在自交九代后仍可检测到。这是首次在静水压处理种子衍生的自交品系中证明此类关联。该发现与植物胁迫相关分子记忆和可遗传变异的现有模型一致，为进一步研究胁迫相关可遗传变异及其在作物改良中的潜在应用提供了基础。