DNA甲基化作为重要的表观遗传修饰，参与基因转录调控、基因组稳定、染色体互作等广泛的生物过程。研究表明，DNA甲基化在植物的生长发育和响应逆境胁迫中发挥着重要作用，然而，DNA甲基化影响染色质开放性进而调控植物生长发育的作用机制尚不清晰。近日，ky开云手机版/林木遗传育种全国重点实验室杜庆章教授课题组在New Phytologist在线发表了题为“Binding of PtoRAP2.12 to Demethylated and Accessible Chromatin Regions in the PtoGntK Promoter Stimulates Growth of Poplar”的研究论文，揭示了DNA甲基化可通过影响染色质开放性调控转录因子PtoRAP2.12与杨树生长相关基因PtoGntK的结合能力，从而调控植物生长的表观调控机制。

该研究以两个优良毛白杨种质“LM50”和”H-3169”为材料，对其进行DNA甲基转移酶抑制剂5-AzaC处理，处理后的毛白杨植株DNA甲基化水平显著下降，植株生长受到明显抑制，表明DNA甲基化对植物生长至关重要（图1）。·

图1 DNA甲基转移酶抑制剂5-AzaC处理两个毛白杨种质“LM50”和“H-3169”

前人研究表明，染色质开放性与基因表达密切相关。为了进一步解析DNA甲基化对基因的调控机制，研究人员采用了ATAC-seq来识别染色质开放区域。结果发现，在DNA甲基转移酶抑制剂5-AzaC处理的毛白杨植株染色质开放peak数显著增加，且染色质开放区ACRs主要分布在低甲基化区。DNA甲基化水平显著下降的区域，染色质开放性显著提高。通过对处理植株和未处理植株的差异DNA甲基化区域（DMRs）和差异染色质开放区域(DARs)的比较分析，发现DMRs和DARs主要分布于启动子区和基因间区等调控区域。进一步联合DNA甲基化，染色质开放性和转录组分析，鉴定到112个低甲基化-高开放性-差异表达的基因注释区域。

基于毛白杨自然群体表观基因组关联分析（EWAS）策略，在112个候选基因中鉴定到61个基因内含有表达量相关的单甲基化多态性位点（SMPs），有66个基因含有生长表型相关的SMPs。进一步联合连锁—连锁不平衡作图策略，定位了47个与生长显著相关的QTLs，其中，主效QTL19.1包含有一个低甲基化-高开放性-差异表达候选基因PtoGntK (图2），表明该基因受DNA甲基化与染色开放性调控且与植物生长密切相关。

图2 杨树生长相关主效QTL19.1及候选基因PtoGntK定位

基于PtoGntK 基因过表达株系和基因编辑株系表型证明，PtoGntK 主要通过调控植株高度和茎粗影响生长（图3）。酵母单杂交双荧光素酶和EMSA实验证明，PtoRAP2.12结合PtoGntK启动子去甲基化且开放的区域，从而激活PtoGntK的表达，最终正调控杨树生长。

图3 遗传转化证明PtoGntK正调控杨树生长

本研究中，团队人员鉴定到表观调控的杨树生长关键基因PtoGntK，在启动子区域处于低DNA甲基化水平时，染色质具有更高的可及性，为转录因子结合提供空间，使其更容易被上游转录因子PtoRAP2.12激活，促进植物生长（图4）。本研究探讨了DNA甲基化在植物生长中的作用，并阐明了“DNA甲基化-染色质可及性-关键生长基因”的表观遗传调控机制，研究为木本植物生长发育提供了新的思路。

图4 PtoGntK调控杨树生长的表观分子机制

林木遗传育种全国重点实验室杜庆章教授为本文通讯作者，博士研究生何玉玲和周嘉旋为论文共同第一作者。团队负责人张德强教授对该研究给予了总体指导，权明洋副教授、研究生吕晨飞、张东海、钟磊石、王丹、已毕业博士李鹏（现为山东农业大学林ky开云（中国）副教授）和肖亮（现为北京大学现代农ky开云（中国）博士后）、本科生张晋晗参与了该研究工作。本研究得到了国家重点研发计划青年科学家项目、北京市自然科学基金、中央高校基本科研业务费、浙江省重点研发计划、国家自然科学基金项目、霍英东青年教师基金以及111计划等项目的联合资助。

论文链接：https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.20228

作者：何玉玲

审核：杜庆章