2021年8月13日，浙江大學(xué)作物科學(xué)研究所張國(guó)平教授團(tuán)隊(duì)和以色列海法大學(xué)Eviatar Nevo教授合作在國(guó)際著名期刊Advanced Science發(fā)表了題為“Multi-omics analysis reveals the mechanism underlying the edaphic adaptation in wild barley at Evolution Slope （Tabigha）”的研究論文，利用表觀基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)手段，研究了生長(zhǎng)在地域相近、土壤生態(tài)條件迥然不同的兩個(gè)野生大麥種群的同域物種形成機(jī)理和生態(tài)逆境適應(yīng)性機(jī)制，研究結(jié)果豐富了達(dá)爾文物種起源的理論，解析了生物多樣性形成的分子機(jī)理，對(duì)作物逆境遺傳改良也具有重要的指導(dǎo)意義。

 

　　物種形成是進(jìn)化生物學(xué)領(lǐng)域中最核心的科學(xué)問題，而適應(yīng)性進(jìn)化是物種形成最基本的過程。一般認(rèn)為，地理隔離從而避免基因流是物種形成的必要條件。但有研究表明，同一種群內(nèi)在無地理隔離的條件下，由于生物對(duì)所處不同環(huán)境的適應(yīng)性進(jìn)化，也會(huì)發(fā)生生殖隔離進(jìn)而催生新物種的形成，即“同域物種形成（sympatric speciation）”，這樣豐富了物種的遺傳多樣性。

 

　　氣候、地質(zhì)、土壤和環(huán)境壓力是生物進(jìn)化的主要驅(qū)動(dòng)力。微生態(tài)進(jìn)化研究已發(fā)現(xiàn)了多個(gè)物種（包括病毒、細(xì)菌、真菌、植物和動(dòng)物）對(duì)微生態(tài)環(huán)境的適應(yīng)性及產(chǎn)生的遺傳變異。在以色列Tabigha的 “進(jìn)化坡”上分別生長(zhǎng)著兩個(gè)野生大麥種群Basalt和Terra Rossa，它們分別適應(yīng)了潮濕、富含真菌的火山巖土壤和干燥的石灰土土壤。研究人員以這兩個(gè)野生大麥群體為材料，進(jìn)行了全基因組亞硫酸氫鹽測(cè)序（WGBS）、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)分析。

 

　　WGBS分析共鑒定到121433個(gè)差異甲基化區(qū)域（DMR）和10478個(gè)DMR相關(guān)聯(lián)的基因（以下簡(jiǎn)稱DMR基因）。GO分析表明，CG-DMR基因（CG類型的DMR基因）富集在與生命基本過程相關(guān)的通路中，包括ATP生產(chǎn)、轉(zhuǎn)錄和組蛋白修飾等；而CHH-DMR基因（CHH類型的DMR基因）主要與防御、茉莉酸信號(hào)和糖代謝等通路相關(guān)（圖1）。研究還發(fā)現(xiàn)，對(duì)于少部分基因，近轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)啟動(dòng)子區(qū)域的CG和CHG超甲基化會(huì)抑制mRNA轉(zhuǎn)錄，而CHH超甲基化則會(huì)促進(jìn)mRNA的表達(dá)。這些基因大多處于上游調(diào)控通路，如賴氨酸特異去甲基化酶3B和JMJ705，它們參與組蛋白的去甲基化，調(diào)控下游生物學(xué)過程，包括植物開花和防御基因（圖2）。轉(zhuǎn)錄組和代謝組分析表明，糖代謝增強(qiáng)促進(jìn)Terra Rossa群體對(duì)干燥的石灰土土壤的適應(yīng)性，而酚酰胺合成增強(qiáng)則有利于Basalt群體在潮濕、真菌病原豐富的火山巖土壤上生長(zhǎng)。

　　圖1. 野生大麥群體間差異甲基化區(qū)域（DMR）。（A）DMR全基因組分布；（B）DMR基因的GO分析。

 

　　浙江大學(xué)作物所蔡圣冠副教授和沈秋芳副研究員為該論文共同第一作者，張國(guó)平教授和以色列海法大學(xué)Eviatar Nevo教授為共同通訊作者，西悉尼大學(xué)陳仲華教授也參與了該研究工作。該研究受國(guó)家自然科學(xué)基金、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系和“111”計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。

 

　　原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/advs.202101374