大豆驯化和改良中的DNA甲基化变异

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作物驯化是农业发展中最重要的事件之一。通过对野生作物的不断驯化改良,人类才得以获得符合生产生活需要的现代作物。驯化改良过程就是对作物群体基因组多样性进行选择的过程。目前我们对作物驯化改良的研究主要集中在对遗传变异的选择,在DNA水平鉴定到了大量的驯化选择区间。然而,除了遗传变异,表观遗传也在植物的生长发育过程中起到非常重要的作用。迄今,关于表观遗传变异在作物驯化改良中的作用还鲜有报道。  在本研究中,我们以表观遗传标记中分子机制最清楚、研究最广泛的DNA甲基化为研究对象,对包含9个野生种、12个农家种和24个栽培品种在内的45个大豆品种进行了全基因组甲基化分析,构建了大豆不同品种单碱基水平全基因组尺度的DNA甲基化图谱。通过亚群之间的相互比较,我们在从野生种到农家种的驯化过程中鉴定到4,248个DNA甲基化水平发生变化的差异甲基化区间(Differentially Methylated Regions,DMRs),在从农家种到栽培品种的改良过程中鉴定到了1,164个差异甲基化区间。通过与DNA水平的驯化选择区间(DNA Selection Regions,DSRs)的比较,我们发现DMR和DSR的属性完全不同:它们长度差异显著、极少重叠、染色体分布没有相关性、基因组结构组成差异大,并且DMR含有明显高的核苷酸多态性。这提示我们大豆驯化改良过程在表观遗传水平的选择和DNA水平的选择似乎是独立进行的。进一步地,我们对DMR与其周围的遗传变异(siRNA、TE变异和SNP)进行了关联分析,发现只有22.54%的DMR能够被遗传变异所解释,说明大豆驯化改良过程中的大部分DMR确实是DNA甲基化被独立选择的结果,它们并不是遗传变异选择的副产物。与这些独立选择的DMR特别是驯化过程中的CG-DMR重叠的基因在碳水化合物通路中显著富集,并且编码通路中的所有关键调控酶,这为DNA甲基化在大豆驯化过程中起到生物学功能提供了重要的证据。  综上所述,该研究首先为大豆的群体DNA甲基化研究以及具体的表观遗传功能研究提供了非常宝贵的数据,并且首次从群体水平对表观遗传在作物驯化中的作用及其与遗传水平的驯化关系进行了全面解析,为了解表观遗传在作物驯化中的作用提供了重要依据。
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