WGBS等揭示梨馴化和改良過程中DNA甲基化對果實成熟的作用機制
梨（Pyrus ssp.，薔薇科杏仁核亞科）是世界上最重要的溫帶水果作物之一。與野生梨相比，栽培梨的果實在許多形態(tài)特征上表現(xiàn)出顯著變化，包括果實大小、含糖量和核細胞含量。野生梨和栽培梨之間的比較分析可以深入了解關(guān)鍵表型變化的演變。DNA甲基化是一種重要的可遺傳表觀遺傳學(xué)標(biāo)記，可以改變基因組區(qū)域可及性，抑制或激活基因表達，最終導(dǎo)致表型變化。然而，表觀等位基因在多年生果樹馴化中的重要性尚待發(fā)現(xiàn)。
在植物中，胞嘧啶DNA甲基化發(fā)生在三種不同的背景中：CG、CHG和CHH（H=A、T或G）。DNA甲基化水平受到四種去甲基化酶的調(diào)節(jié)，包括抑制沉默1/Demeter樣1（ROS1/DML1）、Demeter（DME）、Demeter樣2（DML2）和Demeter樣3（DML3）。
2024年4月5日，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)吳俊教授團隊對41份亞洲梨（Pyruspyrifolia）樣本（包括野生品種、地方品種和改良品種）進行了單堿基分辨率的甲基化分析。通過比較甲基化分析，在梨的馴化和改良過程中全基因組DNA甲基化水平增加，與編碼DNA去甲基化酶的基因表達水平降低相關(guān)。研究還鑒定出梨的馴化和改良過程中的差異化甲基化區(qū)域（DMRs）。高甲基化DMRs基因與植物衰老和果實成熟顯著相關(guān)。研究為揭示多年生果樹馴化和改良過程中表觀遺傳調(diào)控重要性狀的作用機制提供參考，為指導(dǎo)梨重要性狀遺傳改良提供了理論依據(jù)。相關(guān)研究成果以"Increased DNA methylation contributes to the early ripening of pear fruits during domestication and improvement"為題發(fā)表在《Genome Biology》（IF 12.3 / 1區(qū)）期刊上。
研究摘要：
本研究利用全基因組重亞硫酸鹽測序技術(shù)研究了41份梨樣本進行了梨馴化和改良過程中的DNA甲基化變化。與水稻馴化期間的顯著減少相反，研究結(jié)果表明梨馴化和改良過程中整體DNA甲基化水平增加。梨的DNA甲基化特定增加與人類選擇導(dǎo)致的Demeter-like1（DML1，編碼DNA去甲基化酶）的下調(diào)顯著相關(guān)。研究總共鑒定出5591個差異甲基化區(qū)域（DMRs）。在梨的馴化和改良過程中，CG和CHG中的甲基化經(jīng)歷共同進化。DMRs比選擇性掃描區(qū)域具有更高的遺傳多樣性，特別是在內(nèi)含子中。大約97%的DMRs與任何SNPs無關(guān)，這些DMRs與淀粉和蔗糖代謝以及苯丙烷生物合成相關(guān)。此外，研究還進行DNA甲基化與基因表達的相關(guān)性分析。分析結(jié)果表明，高甲基化DMRs基因與果實成熟顯著相關(guān)，進一步驗證與高甲基化DMRs相關(guān)基因CAMTA2的功能，并驗證在番茄和梨愈傷組織中CAMTA2過表達抑制了果實成熟。
總之，本研究揭示了多年生梨樹馴化和改良過程中DNA甲基化的特定模式，并表明DNA甲基化增加在梨果早熟中發(fā)揮著重要作用。
研究方法：
結(jié)果圖形
（1）人對Demeter樣1（DML1）選擇可能與梨馴化和改良過程中DNA甲基化增加有關(guān)
為分析梨馴化和改良過程中發(fā)生的全基因組DNA甲基化變化，研究人員構(gòu)建了全基因組重亞硫酸鹽測序（WGBS）文庫，包含41個代表性P. pyrifolia品種的兩個生物學(xué)重復(fù)，其中包括14個野生品種、12個地方品種和15個改良梨品種。平均BS轉(zhuǎn)化率為99.44%。以P. pyrifolia “Cuiguan”基因組為參考基因組。
b. 三個梨品種（野生品種、地方品種和改良品種）中CG、CHG和CHH甲基化胞嘧啶（mC）平均比率。
c. 野生品種、地方品種和改良品種中CG、CHG和CHH甲基化水平進行比較（*P < 0.05; **P < 0.01; ***P < 0.001，雙尾配對學(xué)生t檢驗）。
d. 基因和轉(zhuǎn)座元件（TEs）的上下游±2kb區(qū)域、和genebody區(qū)域的DNA甲基化水平分布。
e. 在野生品種、地方品種和改良品種中，PpyDML1.1、PpyDML1.2和PpyDML1.3的相對基因表達水平比較（FPKM）。PpyDML1.1、PpyDML1.2和PpyDML1.3在梨馴化和改良過程中表達水平持續(xù)下降（*P < 0.05; **P < 0.01; ***P < 0.001，使用cuffdiff進行差異表達分析）。
（2）梨馴化和改良過程中CG和CHG甲基化的共同進化
圖2：野生品種梨 vs地方品種梨以及地方品種梨vs改良品種梨的差異甲基化區(qū)域（DMRs）比較
a. CG中的DNA甲基化水平主成分分析（PCA）圖。黃色方塊：野生梨品種，藍色點：地方品種，綠色三角形：改良品種。
b. CHG中的DNA甲基化水平主成分分析（PCA）圖。
c. 比較野生與地方品種、地方品種與改良品種以及野生與改良品種的高甲基化/低甲基化DMRs（hyper/hypo-DMRs）數(shù)量。
d. c中三種比較中高甲基化/低甲基化DMRs的總長度。
e. 比較野生與地方品種和地方品種與改良品種比較中，DNA序列選擇區(qū)域（DSRs）長度與CG和CHG背景DMRs的長度（*P < 0.05; **P < 0.01; ***P < 0.001，雙尾配對學(xué)生t檢驗）。
f. 顯示DSRs和DMRs的基因組組成，包括轉(zhuǎn)座元件（TEs）、內(nèi)含子、外顯子和基因間區(qū)域。
g. 對17條梨染色體上野生與地方品種群間DMRs分布圖。從外圈到內(nèi)圈的數(shù)據(jù)分別代表TE密度（I）、基因密度（II）、馴化過程中CG-DMR密度（III）、馴化過程中CHG-DMR密度（IV）、改良過程中CG-DMR密度（V）、改良過程中CHG-DMR密度（VI）、馴化過程中的DSR（VII）和改良過程中的DSR（VIII）。
h. 對野生與地方品種（CG和CHG背景）以及地方種與改良品種之間的DMRs重疊分析。
i. 對野生與地方品種（馴化過程）和地方品種與改良品種（改良過程）比較中兩種甲基化背景的DMRs重疊。
j. 在梨馴化過程中，o_CG_CHG_DMRs（CG-DMRs與CHG-DMRs重疊區(qū)域）的CG和CHG甲基化水平相關(guān)性分析。
k. 在梨改良過程中，對o_CG_CHG_DMRs的CG和CHG甲基化水平進行相關(guān)性分析。
（3）遺傳多樣性變化與梨馴化和改良過程中的DNA甲基化變化無關(guān)
e-f. 在馴化（Dom-DMRs）（e）和改良（Imp-DMRs）（f）過程中，高甲基化DMRs和低甲基化DMRs的遺傳多樣性變化。每一條黑線代表一個DMR。
g. dom CG DMR、dom CHG DMR、imp CG DMR和imp CHG DMRs中DNA甲基化水平與遺傳多樣性之間的關(guān)系。
（4）DMRs遺傳基礎(chǔ)的meQTL分析
b. 每個DMR的顯著SNP數(shù)量分布。
c. 每個SNP的顯著相關(guān)DMR的數(shù)量分布。
d. 梨馴化和改良過程中CG和CHG DMRs的遺傳基礎(chǔ)。
（5）DNA甲基化對基因表達的作用
b-c. 梨馴化（b）和改良（c）過程中，2kb上游、基因體和2kb下游區(qū)域的基因表達水平與CG和CHG環(huán)境中DMR甲基化水平之間的Pearson相關(guān)系數(shù)分布。
（6）梨馴化和改良過程中DNA高甲基化與果實早熟有關(guān)
b. 梨改良過程中高CG DMR相關(guān)基因的GO富集分析（前15個顯著項）。藍色星號表示與衰老相關(guān)的GO術(shù)語。
c. CAMTA2基因結(jié)構(gòu)如圖頂部所示。外顯子用黃色陰影框表示，內(nèi)含子用黑線表示，藍色陰影框表示5′和3′UTR。下圖顯示了野生、地方品種和改良梨品種中位于CAMTA2基因中的DMR（Chr13:26073542–26073668）的CG甲基化水平。上圖表示整個基因（2kb上游、基因體和2kb下游區(qū)域），下圖擴大顯示第11外顯子中的DMR。
d. 野生品種（黃框）、地方品種（綠框）和改良品種（藍框）梨中CAMTA2表達水平（FPKM）的比較（*P<0.05；**P<0.01；***P<0.001；NS，不顯著；雙尾配對Student t檢驗）
b. CAMTA2-GFP融合蛋白定位于農(nóng)業(yè)過濾的本氏煙草（Nicotiana benthamiana）葉片細胞的細胞核。
c. WT和CAMTA2過表達（OE）梨愈傷組織的生長。P1=繼代培養(yǎng)后立即，P2=繼代培養(yǎng)后14天，P3=繼代培養(yǎng)后24天。
d-e. 用甲苯胺藍染色的梨愈傷組織的橫截面。圖像顯示了過表達CAMTA2（e）的WT（d）和轉(zhuǎn)基因梨愈傷組織的橫截面的相同視野中的細胞數(shù)量。比例尺=100μm。
f. T1代轉(zhuǎn)基因幼苗在移植前的生長狀況。比例尺=1cm。
g. WT和T1代CAMTA2-OE幼苗根長的統(tǒng)計分析。
h. WT和CAMTA2-OE轉(zhuǎn)基因番茄植株的表型。比例尺=1cm。
i. 野生型和轉(zhuǎn)基因番茄植株株高的統(tǒng)計分析。
j. WT CAMTA2-OE轉(zhuǎn)基因番茄果實在盛開后43、46、49、52、55和57天（DAFB）的代表性表型。
k.在紅期收獲的WT和CAMTA2-OE轉(zhuǎn)基因番茄果實硬度統(tǒng)計分析。
研究結(jié)論
本研究結(jié)果表明，在梨的馴化和改良過程中DNA甲基化的整體增加。這種DNA甲基化增加與 DML1表達下調(diào)顯著相關(guān)。在梨的馴化和改良過程中，分別鑒定出1242個和4349個DMR。高DMRs附近基因與植物衰老和果實成熟顯著相關(guān)。研究還驗證了高DMRs相關(guān)基因CAMTA2的功能，即CAMTA2過表達抑制果實成熟。簡言之，本研究報告了在梨的馴化和改良過程中DNA甲基化的增加模式，并表明增加的DNA甲基化在調(diào)節(jié)梨果實成熟期中起著至關(guān)重要的作用。
參考文獻：
Song B, Yu J, Li X, Li J, Fan J, Liu H, Wei W, Zhang L, Gu K, Liu D, Zhao K, Wu J. Increased DNA methylation contributes to the early ripening of pear fruits during domestication and improvement. Genome Biol. 2024 Apr 5;25(1):87. pii: 10.1186/s13059-024-03220-y. doi: 10.1186/s13059-024-03220-y. PubMed PMID: 38581061.
在植物中，胞嘧啶DNA甲基化發(fā)生在三種不同的背景中：CG、CHG和CHH（H=A、T或G）。DNA甲基化水平受到四種去甲基化酶的調(diào)節(jié)，包括抑制沉默1/Demeter樣1（ROS1/DML1）、Demeter（DME）、Demeter樣2（DML2）和Demeter樣3（DML3）。
2024年4月5日，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)吳俊教授團隊對41份亞洲梨（Pyruspyrifolia）樣本（包括野生品種、地方品種和改良品種）進行了單堿基分辨率的甲基化分析。通過比較甲基化分析，在梨的馴化和改良過程中全基因組DNA甲基化水平增加，與編碼DNA去甲基化酶的基因表達水平降低相關(guān)。研究還鑒定出梨的馴化和改良過程中的差異化甲基化區(qū)域（DMRs）。高甲基化DMRs基因與植物衰老和果實成熟顯著相關(guān)。研究為揭示多年生果樹馴化和改良過程中表觀遺傳調(diào)控重要性狀的作用機制提供參考，為指導(dǎo)梨重要性狀遺傳改良提供了理論依據(jù)。相關(guān)研究成果以"Increased DNA methylation contributes to the early ripening of pear fruits during domestication and improvement"為題發(fā)表在《Genome Biology》（IF 12.3 / 1區(qū)）期刊上。
研究摘要：
本研究利用全基因組重亞硫酸鹽測序技術(shù)研究了41份梨樣本進行了梨馴化和改良過程中的DNA甲基化變化。與水稻馴化期間的顯著減少相反，研究結(jié)果表明梨馴化和改良過程中整體DNA甲基化水平增加。梨的DNA甲基化特定增加與人類選擇導(dǎo)致的Demeter-like1（DML1，編碼DNA去甲基化酶）的下調(diào)顯著相關(guān)。研究總共鑒定出5591個差異甲基化區(qū)域（DMRs）。在梨的馴化和改良過程中，CG和CHG中的甲基化經(jīng)歷共同進化。DMRs比選擇性掃描區(qū)域具有更高的遺傳多樣性，特別是在內(nèi)含子中。大約97%的DMRs與任何SNPs無關(guān)，這些DMRs與淀粉和蔗糖代謝以及苯丙烷生物合成相關(guān)。此外，研究還進行DNA甲基化與基因表達的相關(guān)性分析。分析結(jié)果表明，高甲基化DMRs基因與果實成熟顯著相關(guān)，進一步驗證與高甲基化DMRs相關(guān)基因CAMTA2的功能，并驗證在番茄和梨愈傷組織中CAMTA2過表達抑制了果實成熟。
總之，本研究揭示了多年生梨樹馴化和改良過程中DNA甲基化的特定模式，并表明DNA甲基化增加在梨果早熟中發(fā)揮著重要作用。
研究方法：
結(jié)果圖形
為分析梨馴化和改良過程中發(fā)生的全基因組DNA甲基化變化，研究人員構(gòu)建了全基因組重亞硫酸鹽測序（WGBS）文庫，包含41個代表性P. pyrifolia品種的兩個生物學(xué)重復(fù)，其中包括14個野生品種、12個地方品種和15個改良梨品種。平均BS轉(zhuǎn)化率為99.44%。以P. pyrifolia “Cuiguan”基因組為參考基因組。
圖1：梨基因組中DNA胞嘧啶甲基化水平的分布模式
a. 17條梨染色體上的CG、CHG和CHH下DNA甲基化水平的密度分布、基因密度和TE密度。b. 三個梨品種（野生品種、地方品種和改良品種）中CG、CHG和CHH甲基化胞嘧啶（mC）平均比率。
c. 野生品種、地方品種和改良品種中CG、CHG和CHH甲基化水平進行比較（*P < 0.05; **P < 0.01; ***P < 0.001，雙尾配對學(xué)生t檢驗）。
d. 基因和轉(zhuǎn)座元件（TEs）的上下游±2kb區(qū)域、和genebody區(qū)域的DNA甲基化水平分布。
e. 在野生品種、地方品種和改良品種中，PpyDML1.1、PpyDML1.2和PpyDML1.3的相對基因表達水平比較（FPKM）。PpyDML1.1、PpyDML1.2和PpyDML1.3在梨馴化和改良過程中表達水平持續(xù)下降（*P < 0.05; **P < 0.01; ***P < 0.001，使用cuffdiff進行差異表達分析）。
（2）梨馴化和改良過程中CG和CHG甲基化的共同進化
圖2：野生品種梨 vs地方品種梨以及地方品種梨vs改良品種梨的差異甲基化區(qū)域（DMRs）比較
b. CHG中的DNA甲基化水平主成分分析（PCA）圖。
c. 比較野生與地方品種、地方品種與改良品種以及野生與改良品種的高甲基化/低甲基化DMRs（hyper/hypo-DMRs）數(shù)量。
d. c中三種比較中高甲基化/低甲基化DMRs的總長度。
e. 比較野生與地方品種和地方品種與改良品種比較中，DNA序列選擇區(qū)域（DSRs）長度與CG和CHG背景DMRs的長度（*P < 0.05; **P < 0.01; ***P < 0.001，雙尾配對學(xué)生t檢驗）。
f. 顯示DSRs和DMRs的基因組組成，包括轉(zhuǎn)座元件（TEs）、內(nèi)含子、外顯子和基因間區(qū)域。
g. 對17條梨染色體上野生與地方品種群間DMRs分布圖。從外圈到內(nèi)圈的數(shù)據(jù)分別代表TE密度（I）、基因密度（II）、馴化過程中CG-DMR密度（III）、馴化過程中CHG-DMR密度（IV）、改良過程中CG-DMR密度（V）、改良過程中CHG-DMR密度（VI）、馴化過程中的DSR（VII）和改良過程中的DSR（VIII）。
h. 對野生與地方品種（CG和CHG背景）以及地方種與改良品種之間的DMRs重疊分析。
i. 對野生與地方品種（馴化過程）和地方品種與改良品種（改良過程）比較中兩種甲基化背景的DMRs重疊。
j. 在梨馴化過程中，o_CG_CHG_DMRs（CG-DMRs與CHG-DMRs重疊區(qū)域）的CG和CHG甲基化水平相關(guān)性分析。
k. 在梨改良過程中，對o_CG_CHG_DMRs的CG和CHG甲基化水平進行相關(guān)性分析。
（3）遺傳多樣性變化與梨馴化和改良過程中的DNA甲基化變化無關(guān)
圖3：梨的馴化過程中差異甲基化區(qū)域（DMRs）的遺傳多樣性變化：
a-d. 所有梨（a）和野生品種梨（b）、地方品種梨（c）和改良品種梨（d）不同基因組組成中DMR、DSRs和NSRs之間的遺傳多樣性比較（*P<0.05；**P<0.01；***P<0.001；NS，不顯著；雙尾配對學(xué)生t檢驗）。不同基因組組成包括基因間區(qū)域、TE、外顯子和內(nèi)含子。e-f. 在馴化（Dom-DMRs）（e）和改良（Imp-DMRs）（f）過程中，高甲基化DMRs和低甲基化DMRs的遺傳多樣性變化。每一條黑線代表一個DMR。
g. dom CG DMR、dom CHG DMR、imp CG DMR和imp CHG DMRs中DNA甲基化水平與遺傳多樣性之間的關(guān)系。
（4）DMRs遺傳基礎(chǔ)的meQTL分析
圖4：梨馴化和改良過程中差異甲基化區(qū)域（DMRs）的遺傳基礎(chǔ)。
a. 在梨馴化和改良過程中鑒定的meQTL的染色體位置分布。x軸表示顯著SNPs的基因組位置，y軸表示SNPs相應(yīng)DMR的基因組位置。點的顏色表示meQTL分析中的P值。meQTL顯著閾值設(shè)定為1.78×10−9（0.01/N，N=5618948），僅繪制顯著meQTL。Dom-CG-DMR代表野生和地方品種之間的CG DMR；Dom-CHG-DMR代表野生和地方品種之間的CHG DMRs；Imp-CG-DMR代表地方品種和改良品種之間的CG-DMR；Imp CHG DMR代表地方品種和改良梨品種之間的CHG DMRs。b. 每個DMR的顯著SNP數(shù)量分布。
c. 每個SNP的顯著相關(guān)DMR的數(shù)量分布。
d. 梨馴化和改良過程中CG和CHG DMRs的遺傳基礎(chǔ)。
（5）DNA甲基化對基因表達的作用
圖5：梨馴化改良過程中DNA甲基化與基因表達水平的相關(guān)性研究。
a. 在2kb上游、基因體和2kb下游區(qū)域的所有基因的CG和CHG甲基化水平與表達水平之間的關(guān)系。根據(jù)表達水平將基因分為四組（低、中低、中高和高）。b-c. 梨馴化（b）和改良（c）過程中，2kb上游、基因體和2kb下游區(qū)域的基因表達水平與CG和CHG環(huán)境中DMR甲基化水平之間的Pearson相關(guān)系數(shù)分布。
（6）梨馴化和改良過程中DNA高甲基化與果實早熟有關(guān)
圖6：梨CAMTA2基因中的一個高甲基化DMR以及它在梨馴化和改良過程中的作用。
a. 梨馴化過程中高CG DMR相關(guān)基因的GO富集分析（前15個顯著項）。b. 梨改良過程中高CG DMR相關(guān)基因的GO富集分析（前15個顯著項）。藍色星號表示與衰老相關(guān)的GO術(shù)語。
c. CAMTA2基因結(jié)構(gòu)如圖頂部所示。外顯子用黃色陰影框表示，內(nèi)含子用黑線表示，藍色陰影框表示5′和3′UTR。下圖顯示了野生、地方品種和改良梨品種中位于CAMTA2基因中的DMR（Chr13:26073542–26073668）的CG甲基化水平。上圖表示整個基因（2kb上游、基因體和2kb下游區(qū)域），下圖擴大顯示第11外顯子中的DMR。
d. 野生品種（黃框）、地方品種（綠框）和改良品種（藍框）梨中CAMTA2表達水平（FPKM）的比較（*P<0.05；**P<0.01；***P<0.001；NS，不顯著；雙尾配對Student t檢驗）
圖7：CAMTA2在轉(zhuǎn)基因梨愈傷組織和轉(zhuǎn)基因番茄植株中的作用。
a. CAMTA2基因在對照和5′-氮雜胞苷（5′-Aza）處理的梨愈傷組織中的相對表達。b. CAMTA2-GFP融合蛋白定位于農(nóng)業(yè)過濾的本氏煙草（Nicotiana benthamiana）葉片細胞的細胞核。
c. WT和CAMTA2過表達（OE）梨愈傷組織的生長。P1=繼代培養(yǎng)后立即，P2=繼代培養(yǎng)后14天，P3=繼代培養(yǎng)后24天。
d-e. 用甲苯胺藍染色的梨愈傷組織的橫截面。圖像顯示了過表達CAMTA2（e）的WT（d）和轉(zhuǎn)基因梨愈傷組織的橫截面的相同視野中的細胞數(shù)量。比例尺=100μm。
f. T1代轉(zhuǎn)基因幼苗在移植前的生長狀況。比例尺=1cm。
g. WT和T1代CAMTA2-OE幼苗根長的統(tǒng)計分析。
h. WT和CAMTA2-OE轉(zhuǎn)基因番茄植株的表型。比例尺=1cm。
i. 野生型和轉(zhuǎn)基因番茄植株株高的統(tǒng)計分析。
j. WT CAMTA2-OE轉(zhuǎn)基因番茄果實在盛開后43、46、49、52、55和57天（DAFB）的代表性表型。
k.在紅期收獲的WT和CAMTA2-OE轉(zhuǎn)基因番茄果實硬度統(tǒng)計分析。
研究結(jié)論
本研究結(jié)果表明，在梨的馴化和改良過程中DNA甲基化的整體增加。這種DNA甲基化增加與 DML1表達下調(diào)顯著相關(guān)。在梨的馴化和改良過程中，分別鑒定出1242個和4349個DMR。高DMRs附近基因與植物衰老和果實成熟顯著相關(guān)。研究還驗證了高DMRs相關(guān)基因CAMTA2的功能，即CAMTA2過表達抑制果實成熟。簡言之，本研究報告了在梨的馴化和改良過程中DNA甲基化的增加模式，并表明增加的DNA甲基化在調(diào)節(jié)梨果實成熟期中起著至關(guān)重要的作用。
參考文獻：
Song B, Yu J, Li X, Li J, Fan J, Liu H, Wei W, Zhang L, Gu K, Liu D, Zhao K, Wu J. Increased DNA methylation contributes to the early ripening of pear fruits during domestication and improvement. Genome Biol. 2024 Apr 5;25(1):87. pii: 10.1186/s13059-024-03220-y. doi: 10.1186/s13059-024-03220-y. PubMed PMID: 38581061.
標(biāo)簽：
DNA甲基化
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