2021年8月13日，浙江大學(xué)作物科學(xué)研究所張國平教授團隊和以色列海法大學(xué)Eviatar Nevo教授合作在國際著(zhù)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(guān)基因組學(xué)、轉錄組學(xué)和代謝組學(xué)手段，研究了生長(cháng)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理和生態(tài)逆境適應性機制，研究結果豐富了達爾文物種起源的理論，解析了生物多樣性形成的分子機理，對作物逆境遺傳改良也具有重要的指導意義。

 

　　物種形成是進(jìn)化生物學(xué)領(lǐng)域中最核心的科學(xué)問(wèn)題，而適應性進(jìn)化是物種形成最基本的過(guò)程。一般認為，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，同一種群內在無(wú)地理隔離的條件下，由于生物對所處不同環(huán)境的適應性進(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)化的主要驅動(dòng)力。微生態(tài)進(jìn)化研究已發(fā)現了多個(gè)物種（包括病毒、細菌、真菌、植物和動(dòng)物）對微生態(tài)環(huán)境的適應性及產(chǎn)生的遺傳變異。在以色列Tabigha的 “進(jìn)化坡”上分別生長(cháng)著(zhù)兩個(gè)野生大麥種群Basalt和Terra Rossa，它們分別適應了潮濕、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序（WGBS）、轉錄組學(xué)和代謝組學(xué)分析。

 

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

　　圖1. 野生大麥群體間差異甲基化區域（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?chē)易匀豢茖W(xué)基金、現代農業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系和“111”計劃等項目的資助。

 

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