加利福尼亚州东部的白山是世界上一些最古老的树木的家园。根据树木年轮数据，大盆地 狐尾松，又名玛土撒拉 玛土撒拉的历史可以追溯到近 5,000 年前，当这棵小小的松树幼苗从土壤中冒出来时，猛犸象还在地球上游荡，历史地标巨石阵正在大规模建设中，古埃及刚刚发明了书写纸。玛土撒拉在漫长的一生中经受住了风暴、温度波动和干旱时期的考验，俗话说，年龄越大，智慧越多。这种积累的“智慧”以表观遗传修饰的形式储存在细胞层面，这种修饰是由环境压力引起的。作为固着的长寿生物，树木已经进化出复杂的适应机制来适应不断变化的环境条件，表观遗传记忆可能使它们能够更快地对反复出现的压力事件做出反应。由于一些表观遗传变异是可遗传的，它们甚至可以将这些“知识”传递给后代，这让人们希望表观遗传机制可以帮助树木比基因适应更有效地适应气候变化。相关研究表明表观遗传学在表型可塑性中发挥着作用，但明确将表观遗传标记的分布与基因表达和表型联系起来的证据很少。
一种常见的表观遗传修饰是胞嘧啶残基的 DNA 甲基化，它可以发生在不同的环境中：CG、CHG 和 CHH，其中 H 是 A、T 或 C。非 CG DNA 甲基化环境在植物中很常见，但在其他生物中非常罕见。DNA 甲基化分析主要在模式物种拟南芥中进行，只有少数研究涉及长寿树种中的这一过程。Peña-Ponton 领导的团队现已提供 前所未有的洞察树木在环境压力下 DNA 甲基化变化的变化。作者分析了来自几个欧洲国家的克隆繁殖的伦巴第杨树，这些杨树在实验条件下暴露于不同的非生物和生物胁迫条件下 20 天，然后分析了它们的 DNA 甲基化谱系。伦巴第杨树来自一个单一的克隆谱系，可能起源于 17 世纪的意大利，现在在世界各地种植。由于它是一种克隆繁殖的植物，作者能够最大限度地减少遗传变异的影响，最大限度地发挥表观遗传差异对表型可塑性的影响。
作者表明，基因组范围内的甲基化变化，尤其是在 CG 和 CHG 环境中，可以用树木的起源而不是实验诱导的短期压力来解释，因此这些变化反映了树木的生长历史如何塑造了它们的 DNA 甲基化景观。这些差异甲基化区域也被证明在很大程度上与压力无关，并对多种压力源作出反应，这与不同压力在生理层面上具有共同的反应成分这一事实相吻合。然而，DNA 甲基化反应也表现出一定的特异性，干旱处理具有最强的压力特异性表观遗传效应，并在 CHH 环境中诱导高甲基化，主要是在基因侧翼区域，特别是在所谓的转座因子或转座子上。转座子是可以复制自身并在基因组区域之间移动的遗传元素，因此它们被称为“跳跃基因”。环境压力可以激活转座子活性，某些转座子家族优先插入到压力反应基因附近。这些区域内的 DNA 甲基化可以抑制它们的移动，并阻止它们对基因组的破坏性影响。Peña-Ponton 及其同事的研究结果揭示了整个转座子超家族在应对压力（尤其是干旱）时发生高甲基化，并且基于基因本体富集数据，作者推测这种甲基化介导的转座子沉默可能对附近的干旱反应基因产生调节作用。
我们才刚刚开始了解 DNA 甲基化对环境变化的功能性影响，但如果玛土撒拉等树木所拥有的表观遗传“智慧”确实可能有助于适应气候变化，那么迫切需要更深刻的洞察。然而，像 Peña-Ponton 等人提出的大规模研究却很少见。作者使用了全基因组亚硫酸盐测序，它被认为是甲基化组分析的黄金标准，因为它提供了高分辨率数据，但它也有一些缺点，例如测序成本高，输出大量数据，需要大量的计算和存储容量。在另一项 JXB 研究中， Isabelle Lesur 及其同事提出了一种解决这些缺点的替代方法。作者开发并验证了一种识别和聚焦高度可变 DNA 甲基化区域的技术，该技术可能更适合植物和动物群体规模的表观遗传学研究。感兴趣的读者可以在他们最近发表在《实验植物学杂志》上的技术创新论文中找到详细的工作流程和相应的数据。
阅读全文：
Peña-Ponton, C.、Diez-Rodriguez, B.、Perez-Bello, P.、Becker, C.、McIntyre, LM、van der Putten, WH、De Paoli, E.、Heer, K.、Opgenoorth, L. 和 Verhoeven, KJ, 2024。高分辨率甲基化组分析揭示了克隆伦巴第杨中的应激反应基因组热点和干旱敏感的 TE 超家族。 实验植物学杂志, https://doi.org/10.1093/jxb/erae262.
马雷克·耶泽克
Jezek 博士是《实验植物学杂志》的助理编辑，该杂志是该组织的官方期刊之一 实验生物学学会.
封面图片：狐尾松 LICreate / Canva.
