PNAS:上海生科院逆境中心朱健康研究组揭示RdDM介导的DNA甲基化与
2016年7月6日，国际著名学术期刊《美国国家科学院院刊》杂志在线发表了中科院上海植物逆境生物学研究中心朱健康研究组题为" Methylation interactions in Arabidopsis hybrids require RNA-directed DNA methylation and are influenced by GENEtic variation”的研究论文。研究以模式植物拟南芥为研究材料，发现了RdDM 路径在F1杂交一代的DNA 甲基化相互作用中起到关键作用，并首次明晰该途径所产生的DNA甲基化并不是调控杂种优势形成的主要表观遗传因子。朱健康课题组张青竹、王栋和梁兆波为论文共同第一作者，朱健康教授为论文通讯作者。
杂种优势是一种普遍而重要的生物学现象，指遗传结构不同的两个群体杂交所产生的子代在生长势、生活力、繁殖力、适应性以及产量、品质等性状方面超过双亲的现象，已被广泛应用到作物育种中。植物杂种优势机制解析一直是国内外植物科学研究的重点和热点，但迄今为止，未能全面解析其复杂的分子作用机制。近年来，鉴于DNA甲基化对基因表达调控的重要作用，DNA甲基化状态在杂种与亲本的变化和杂种表现的关系受到越来越多的关注。目前的研究表明杂种中DNA甲基化水平明显高于亲本，同时也发现F1代的中RNA介导的DNA甲基化(RdDM)路径标志性24nt siRNA水平也高于亲本。因此，人们推测RdDM途径可能参与了杂种DNA甲基化模式和水平的调控，同时对杂种优势的产生发挥重要作用。但此推测正确与否，一直缺乏有效的实验证据。
朱健康课题组利用表观遗传基因组学手段，并开发出一种新算法，在杂种中鉴定出将近3000个甲基化相互作用的区域，该区域不但包含了数百个前人已经鉴定的、存在于亲本间甲基化差异的区域(differentially methylated regions, DMRs)的甲基化相互作用区域，而且有最新鉴定的2000多个位于非DMRs的区域。进一步研究发现，发生甲基化相互作用的区域富集了大量的sirna。因此为了进一步揭示RdDM途径对DNA甲基化模式与水平的作用，研究人员构建了调控RdDM途径的2个关键基因NRPD1和NRPE1的双突变体nrp1 nrpe1亲本，并获得了nrp1 nrpe1的F1杂交子代。研究发现，以上鉴定到的甲基化相互作用区域在nrp1 nrpe1的F1代中不再发生相互作用 (A), 表明RdDM是甲基化相互作用的主要调控因子。进一步分析发现，nrp1 nrpe1双突变的F1代依然保持着杂种优势 (B)，说明RdDM并没有参与到拟南芥杂种优势的调控中。该研究表明，尽管RdDM途径是植物DNA甲基化产生的主要途径，RdDM途径在杂种DNA甲基化模式与水平变化中起到重要的调控作用，但却不是调控杂种优势产生的表观遗传修饰因子。该发现首次明晰了DNA甲基化不能显著调控杂种优势的形成，为今后进一步解析杂种优势的表观遗传调控机制提供了重要线索。
A. RdDM路径突变后甲基化相互作用消失 B. RdDM路径突变后不能显著改变杂种优势的表现
原文链接：
Methylation interactions in Arabidopsis hybrids require RNA-directed DNA methylation and are influenced by genetic variation
原文摘要：
DNA methylation is a conserved epigenetic mark in plants and many animals. How parental alleles interact in progeny to influence the epigenome is poorly understood. We analyzed the DNA methylomes of ArabidopsisCol and C24 ecotypes, and their hybrid progeny. Hybrids displayed nonadditive DNA methylation levels, termed methylation interactions, throughout the genome. Approximately 2,500 methylation interactions occurred at regions where parental DNA methylation levels are similar, whereas almost 1,000 were at differentially methylated regions in parents. Methylation interactions were characterized by an abundance of 24-nt small interfering RNAs. Furthermore, dysfunction of the RNA-directed DNA methylation pathway abolished methylation interactions but did not affect the increased biomass observed in hybrid progeny. Methylation interactions correlated with altered genetic variation within the genome, suggesting that they may play a role in genome evolution.
作者：朱健康
