2021年8月13日，浙江大学作物科学研究所张国平教授团队和以色列海法大学Eviatar Nevo教授合作在国际著名期刊Advanced Science发表了题为“Multi-omics analysis reveals the mechanism underlying the edaphic adaptation in wild barley at Evolution Slope （Tabigha）”的研究论文，利用表观基因组学、转录组学和代谢组学手段，研究了生长在地域相近、土壤生态条件迥然不同的两个野生大麦种群的同域物种形成机理和生态逆境适应性机制，研究结果丰富了达尔文物种起源的理论，解析了生物多样性形成的分子机理，对作物逆境遗传改良也具有重要的指导意义。
物种形成是进化生物学领域中最核心的科学问题，而适应性进化是物种形成最基本的过程。一般认为，地理隔离从而避免基因流是物种形成的必要条件。但有研究表明，同一种群内在无地理隔离的条件下，由于生物对所处不同环境的适应性进化，也会发生生殖隔离进而催生新物种的形成，即“同域物种形成（sympatric speciation）”，这样丰富了物种的遗传多样性。
气候、地质、土壤和环境压力是生物进化的主要驱动力。微生态进化研究已发现了多个物种（包括病毒、细菌、真菌、植物和动物）对微生态环境的适应性及产生的遗传变异。在以色列Tabigha的 “进化坡”上分别生长着两个野生大麦种群Basalt和Terra Rossa，它们分别适应了潮湿、富含真菌的火山岩土壤和干燥的石灰土土壤。研究人员以这两个野生大麦群体为材料，进行了全基因组亚硫酸氢盐测序（WGBS）、转录组学和代谢组学分析。
WGBS分析共鉴定到121433个差异甲基化区域（DMR）和10478个DMR相关联的基因（以下简称DMR基因）。GO分析表明，CG-DMR基因（CG类型的DMR基因）富集在与生命基本过程相关的通路中，包括ATP生产、转录和组蛋白修饰等；而CHH-DMR基因（CHH类型的DMR基因）主要与防御、茉莉酸信号和糖代谢等通路相关（图1）。研究还发现，对于少部分基因，近转录起始位点启动子区域的CG和CHG超甲基化会抑制mRNA转录，而CHH超甲基化则会促进mRNA的表达。这些基因大多处于上游调控通路，如赖氨酸特异去甲基化酶3B和JMJ705，它们参与组蛋白的去甲基化，调控下游生物学过程，包括植物开花和防御基因（图2）。转录组和代谢组分析表明，糖代谢增强促进Terra Rossa群体对干燥的石灰土土壤的适应性，而酚酰胺合成增强则有利于Basalt群体在潮湿、真菌病原丰富的火山岩土壤上生长。
图1. 野生大麦群体间差异甲基化区域（DMR）。（A）DMR全基因组分布；（B）DMR基因的GO分析。
图2. ZLOC_11983的DNA甲基化和基因表达。上、中、下图分别是CG、CHG和CHH类型DNA甲基化水平。B：Basalt； T： Terra Rossa。 ZLOC_11983编码赖氨酸特异去甲基化酶3B。
浙江大学作物所蔡圣冠副教授和沈秋芳副研究员为该论文共同第一作者，张国平教授和以色列海法大学Eviatar Nevo教授为共同通讯作者，西悉尼大学陈仲华教授也参与了该研究工作。该研究受国家自然科学基金、现代农业产业技术体系和“111”计划等项目的资助。
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/advs.202101374
日期：2021-08-23
