農學院張國平教授團隊在Advanced Science發(fā)文揭示以色列Tabigha “進化坡”野生大麥種群的生態(tài)逆境適應性機制
2021年8月13日，浙江大學作物科學研究所張國平教授團隊和以色列海法大學Eviatar Nevo教授合作在國際著名期刊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、轉錄組學和代謝組學手段，研究了生長在地域相近、土壤生態(tài)條件迥然不同的兩個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。
物種形成是進化生物學領域中最核心的科學問題，而適應性進化是物種形成最基本的過程。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)境的適應性進化，也會發(fā)生生殖隔離進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、土壤和環(huán)境壓力是生物進化的主要驅動力。微生態(tài)進化研究已發(fā)現了多個物種（包括病毒、細菌、真菌、植物和動物）對微生態(tài)環(huán)境的適應性及產生的遺傳變異。在以色列Tabigha的?“進化坡”上分別生長著兩個野生大麥種群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。研究人員以這兩個野生大麥群體為材料，進行了全基因組亞硫酸氫鹽測序（WGBS）、轉錄組學和代謝組學分析。
WGBS分析共鑒定到121433個差異甲基化區(qū)域（DMR）和10478個DMR相關聯的基因（以下簡稱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的通路中，包括ATP生產、轉錄和組蛋白修飾等；而CHH-DMR基因（CHH類型的DMR基因）主要與防御、茉莉酸信號和糖代謝等通路相關（圖1）。研究還發(fā)現，對于少部分基因，近轉錄起始位點啟動子區(qū)域的CG和CHG超甲基化會抑制mRNA轉錄，而CHH超甲基化則會促進mRNA的表達。這些基因大多處于上游調控通路，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，調控下游生物學過程，包括植物開花和防御基因（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。
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。
圖2.?ZLOC_11983的DNA甲基化和基因表達。上、中、下圖分別是CG、CHG和CHH類型DNA甲基化水平。B：Basalt；?T：?Terra Rossa。?ZLOC_11983編碼賴氨酸特異去甲基化酶3B。
浙江大學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Eviatar Nevo教授為共同通訊作者，西悉尼大學陳仲華教授也參與了該研究工作。該研究受國家自然科學基金、現代農業(yè)產業(yè)技術體系和“111”計劃等項目的資助。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/advs.202101374
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