DNA甲基化影響雜交植物的優(yōu)勢

雜交活力是指雜交植物或動物與其親本相比顯示出優(yōu)越的性狀。一個研究小組發(fā)現(xiàn)，參與維持DNA甲基化的基因與擬南芥中的雜種優(yōu)勢密切相關。這有可能適用于其他十字花科蔬菜，如大白菜，并可能導致更高效的高產蔬菜育種。該研究結果發(fā)表于10月8日的“美國國家科學院院刊 ”網(wǎng)絡版。研究小組包括ISHIKURA Sonoko，MIYAJI Naomi，副教授FUJIMOTO Ryo，YASUDA Takeshi教授(均來自神戶大學農業(yè)科學研究生院)和Elizabeth S. Dennis博士以及W. James Peacock博士(澳大利亞CSIRO農業(yè)) )。

雜交植物具有在農業(yè)中有用的品質，例如生物量的增加和應力恢復。培育出具有這些雜種活力屬性的第一代雜交植物(F1植物)被廣泛培育。從全球來看，目前玉米，水稻和油菜籽都是F1雜交品種。這種現(xiàn)象是在100多年前發(fā)現(xiàn)的，記錄在達爾文著名的“物種起源”中。從20世紀初玉米雜交F1品種的開發(fā)開始，應用了一系列雜交農作物，產量急劇增加，結果與“綠色革命”相當。然而，這種現(xiàn)象背后的分子機制仍不清楚。

眾所周知，植物性狀由DNA決定，特別是由A(腺嘌呤)，T(胸腺嘧啶)，C(胞嘧啶)和G(guamine)的四種堿基(堿基序列)的組合決定。近年來，科學家們發(fā)現(xiàn)，即使DNA堿基序列相同，也可以觀察到不同的特征 - 正如你從同卵雙胞胎中看到的那樣。這種與堿基序列變化無關的改變的表達被稱為表觀遺傳調節(jié)(與遺傳調節(jié)相反)。DNA甲基化已經成為表觀遺傳調控的一個例子。在真核生物中添加或減少甲基胞嘧啶修飾基因表達，而堿基序列保持不變。DNA還與組蛋白結合形成染色質結構。DNA甲基化和由組蛋白修飾引起的染色質結構的變化都與基因表達的修飾有關。最近有多篇報道稱雜種活力受表觀遺傳調控和遺傳學的影響。

在模式植物擬南芥(Arabidopsis thaliana)(其屬于與中國卷心菜相同的十字花科(Cruciferae)家族)中可以看到雜種優(yōu)勢。在C24和Columbia-0(Col)之間雜交的第一代雜種中，植物具有增加的生物量(Fujimoto等人，2012，PNAS 109：7109-7114)(參見圖1)。然而，仍然沒有完全理解為什么這種F1雜交植物與其親本相比顯示出優(yōu)越的特性。

在這項研究中，研究小組使用擬南芥與DNA甲基化相關基因的突變，并通過確認雜交活力的實例，他們調查哪些基因和調控基因的表觀遺傳修飾與雜種優(yōu)勢相關。

各種基因共同調節(jié)DNA甲基化。其中，當MET1(甲基轉移酶1，參與維持CG甲基化)和Pol IV(與RdDM相關，RNA指導DNA甲基化，導致從頭甲基化)失去其遺傳功能時，在DNA甲基化中觀察到異常，但沒有對雜種優(yōu)勢的可觀察效應。然而，在使用具有非功能性DDM1染色質重塑因子(通過修飾染色質結構維持DNA甲基化)的植物產生的F1雜種中，在DNA甲基化中觀察到異常，并且雜交活力水平顯著降低(參見圖2)。這表明DDM1和雜種活力密切相關，并且由DDM1(DNA甲基化)調節(jié)的表觀遺傳修飾在雜種優(yōu)勢中是重要的。目前，研究小組正在準備全面分析DDM1功能喪失引起的DNA甲基化變化以及DNA表達水平的變化?；谶@些發(fā)現(xiàn)，他們計劃最終確定調節(jié)雜種活力的基因。

擬南芥(Arabidopsis thaliana)是十字花科植物，這意味著通過該研究獲得的知識可以應用于該家族中的其他植物，例如大白菜，卷心菜，西蘭花和油菜籽。這可能用于培育高產作物品種。該團隊還在研究使用大白菜的雜交活力(見圖3)。

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