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2023年3月23日，海南大學(xué)三亞南繁研究院/熱帶作物學(xué)院博士研究生郭昊等為第一作者、王守創(chuàng)教授為通訊作者在《Science China Life Sciences》雜志發(fā)表題為“Population analysis reveals the roles of DNA methylation in tomato domestication and metabolic diversity”的研究論文，該研究通過對(duì)野生品種、地方品種和栽培品種的番茄群體進(jìn)行全基因組重亞硫酸鹽測(cè)序（WGBS）、轉(zhuǎn)錄組測(cè)序（RNA-seq）和代謝組學(xué)等分析，解析了番茄群體代謝多樣性與育種過程中DNA甲基化變化的關(guān)系，構(gòu)建了多組學(xué)關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)并完善了番茄多酚等代謝物的合成通路。

標(biāo)題：Population analysis reveals the roles of DNA methylation in tomato domestication and metabolic diversity（群體分析揭示DNA甲基化在番茄馴化和代謝多樣性中的作用）

時(shí)間：2023-03-23

期刊：Sci China Life Sci

影響因子：IF 10.372

技術(shù)平臺(tái)：WGBS、RNA-seq、代謝組學(xué)分析等

研究摘要：

DNA甲基化是一種重要的表觀遺傳學(xué)標(biāo)記，但其多樣性和其在群體水平上番茄育種中的作用在很大程度上仍未知。本研究對(duì)包括野生品種、地方品種和栽培品種番茄在內(nèi)的群體進(jìn)行了全基因組重亞硫酸鹽測(cè)序（WGBS）、RNA-seq和代謝組學(xué)分析，共鑒定出8375個(gè)差異甲基化區(qū)域（DMR），其在馴化和改良過程中的甲基化水平逐漸降低，研究結(jié)果表明20%以上的DMR與選擇性清除（selective sweep）重疊。番茄中80%以上的DMR與單核苷酸多態(tài)性（single-nucleotide polymorphisms，SNP）沒有顯著相關(guān)性，而DMR與相鄰SNP具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)。此外，研究還對(duì)來自364個(gè)不同種質(zhì)的339種代謝物進(jìn)行代謝組學(xué)分析，并進(jìn)一步進(jìn)行基于SNP和DMR的代謝關(guān)聯(lián)研究，分別通過SNP和DMR標(biāo)記檢測(cè)到971和711個(gè)大效應(yīng)位點(diǎn)。結(jié)合多組學(xué)共鑒定出13個(gè)候選基因并更新了多酚生物合成通路。本研究結(jié)果表明，DNA甲基化變化可以補(bǔ)充代謝物多樣性的SNP圖譜。總之，本研究通過WGBS測(cè)序等組學(xué)研究為不同種質(zhì)繪制了全面的DNA甲基化圖譜，并表明DNA甲基化變化可能是植物代謝多樣性的遺傳基礎(chǔ)。

項(xiàng)目設(shè)計(jì)：

（1）樣本選?。?/p>

野生品種（S.pimpinellifolium）、地方品種（S.lycopersicum var cerasiforme）、栽培品種（S.lycopersicum）共納入96份不同品種番茄樣本。每種品種至少20株，并在種子發(fā)芽后40天隨機(jī)收集葉片快速置于液氮中，用于DNA、RNA和代謝物提取及后續(xù)測(cè)序分析。

（2）項(xiàng)目設(shè)計(jì)流程圖：

結(jié)果圖形

（1）不同番茄品種的DNA甲基化圖譜

圖1：馴化和改良過程中的DNA甲基化變化

1. 全基因組重亞硫酸鹽測(cè)序（WGBS）數(shù)據(jù)。

2. DMR在番茄染色體上的分布及其與其他基因組表征的關(guān)系。從①到⑤為番茄的染色體、基因、TE、Dos DMR和Imp DMR。

3. 番茄馴化和改良過程中的DMR。內(nèi)圈表示Hyper-DMR和Hypo-DMR比率，外圈表示對(duì)應(yīng)CG和CHG位點(diǎn)DMR。

4. 不同育種過程和不同DMR背景下的DMR長度比較。（***P<0.001，Wilcoxon檢驗(yàn)）

5. 馴化和改良過程中群體之間的DMR信號(hào)比較。（***P<0.001，Wilcoxon檢驗(yàn)，N.S表示不顯著）

（2）DMR與選擇性清除（selective sweep）重疊分析表型多樣性

圖2：差異甲基化區(qū)域（DMR）與選擇性清除（selective sweep）的重疊分析。

1. 馴化和改良過程中的DMR比例與選擇性清除重疊。從內(nèi)到外是DMR數(shù)、不同背景和不同程度的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。DNS表示DMR和選擇性清除不重疊，DIS表示重疊的DMR和選擇性清除區(qū)域。

2. 上圖和中圖顯示了PIM、CER和BIG群體中名為cg01g78771878的DMR周圍甲基化區(qū)域和水平。紅色突出部分表示cg01g78771878位點(diǎn)。下圖是位于選擇性清除（selective sweep）區(qū)域的SlMYB12，BIG中的核苷酸多樣性比CER或PIM中低得多。

3. cg01g78771878甲基化水平與SlMYB12轉(zhuǎn)錄水平的關(guān)聯(lián)分析。

4. 三個(gè)生物學(xué)重復(fù)的LUC/REN表達(dá)比率。（誤差線表示SD。t檢驗(yàn) *P<0.05。）

（3）DMR和SNP之間的meQTL分析

圖3：DMR的遺傳基礎(chǔ)。

1. 不同背景DMR的遺傳基礎(chǔ)概述。紅線代表Dos-DMR，藍(lán)線代表Imp-DMR。

2. 每個(gè)DMR的重要SNP分布。

3. 每個(gè)SNP標(biāo)記的DMR分布。

4. 不同距離DMR甲基化的LD水平。

5. meQTL信號(hào)在番茄基因組中的分布。

F&G. 在CG和CHG環(huán)境中pure DMR相關(guān)基因的KEGG富集分析。

（4）構(gòu)建代謝組多樣性與甲基化變化關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)

圖4：多組學(xué)關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的整合和構(gòu)建。

A&B. mEWAS和mGWAS的基因組分布。代謝物分為七類，并用不同的顏色和標(biāo)簽（AG）標(biāo)記。

C. 代謝物、SNP和DMR之間關(guān)聯(lián)分析的多組學(xué)網(wǎng)絡(luò)。點(diǎn)表示與A和B中相似顏色的代謝物。SNP和DMR分別顯示為小的紅色和藍(lán)色三角形。

（5）SNP和DMR解析番茄的代謝多樣性

圖5：基于mGWAS和mEWAS繪制的番茄多酚生物合成通路。

1. 該研究中鑒定的多酚生物合成通路的已知基因和候選基因。紅色、藍(lán)色和綠色的基因分別代表僅與mGWAS相關(guān)、mEWAS相關(guān)、與兩種方法均顯著相關(guān)的基因。

2. 山奈酚-3-O-葡萄糖甙(Kaempferol-3-O-glucoside)的EWAS曼哈頓圖。虛線表示閾值。

3. 類黃酮糖基轉(zhuǎn)移酶基因的無根系統(tǒng)發(fā)育樹，紅色基因是候選基因（bar：每個(gè)位點(diǎn)0.1個(gè)氨基酸）。

4. DMR（chg7g56698981）甲基化水平與山奈酚3-O-葡萄糖苷代謝物水平的關(guān)聯(lián)分析。

5. mock和5'-Aza處理的葉片DNA甲基化水平、UGT71AV3相對(duì)表達(dá)、山奈酚3-O-葡萄糖苷的相對(duì)含量分析（誤差線表示SD。*P<0.05，**P<0.01，***t檢驗(yàn) P<0.001）。

6. UGT71AV3和山奈酚作為底物的體外活性色譜圖。

圖6：遺傳變異和表觀遺傳變異協(xié)同促進(jìn)類黃酮多樣性。

1. 木犀草素7-O-葡萄糖苷（luteolin 7-O-glucoside）的GWAS（上圖）和EWAS（下圖）曼哈頓圖。虛線表示GWAS和EWAS的閾值。GWAS和EWAS重疊信號(hào)由紅色陰影列突出顯示。強(qiáng)相關(guān)SNP（rs0757317315）和DMR（cg07g57323266）用紅色箭頭標(biāo)記。

2. UGT73L8中多態(tài)性位點(diǎn)之間成對(duì)r 2值（連鎖不平衡量度）。

3. 低甲基化水平（LM）和高甲基化水平（HM）中木犀草素O-glc含量箱形圖（***P<0.001，Student's t-檢驗(yàn)）。

4. 具有不同單倍型的LM和HM中木犀草素7-O-葡萄糖苷含量箱形圖

5. 在mock和5'-Aza處理的葉片的DNA甲基化水平、UGT73L8相對(duì)表達(dá)以及木犀草素7-O-葡糖苷的相對(duì)含量分析（誤差線表示SD。*P<0.05，**P<0.01，***通過t檢驗(yàn)P<0.001）。

6. UGT73L8和木犀草素作為底物的體外活性色譜圖。

參考文獻(xiàn)：Guo H, Cao P, Wang C, Lai J, Deng Y, Li C, Hao Y, Wu Z, Chen R, Qiang Q, Fernie AR, Yang J, Wang S. Population analysis reveals the roles of DNA methylation in tomato domestication and metabolic diversity. Sci China Life Sci. 2023 Mar 23.