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南京农业大学杂草研究室揭示外来入侵植物紫茎泽兰在我国入侵扩散的表观遗传变异分子机制

    紫茎泽兰原产墨西哥,大约于上世纪40年代开始入侵我国云南南部的热带地区,后迅速扩散至云南全境以及四川、贵州、西藏、广西、重庆、湖北等广大亚热带地区,并仍然有继续向东北方向蔓延之势。南京农业大学杂草研究室强胜教授团队在对39个入侵地与原产地紫茎泽兰不同地理种群的比较研究发现,ICE1基因去甲基化变异上调了CBF耐冷转录途径驱动了耐冷性种群的演化得以向北扩散入侵。
    对紫茎泽兰低温胁迫的生理响应比较研究发现,种群耐冷性与采样点的纬度呈显著正相关性,与极端最低温度和最冷月平均温度显著负相关;耐冷性较强的种群主要集中在采样点的北部,而冷敏感种群和中度耐冷种群主要集中在南部和中部,说明紫茎泽兰在入侵我国的过程中产生了耐冷性分化。
    通过CBF转录途径关键基因的克隆、基因表达量分析及转基因功能验证,发现CBF转录途径在调节紫茎泽兰的耐冷性过程中发挥关键作用。耐冷性种群较之冷敏感种群,其ICE1、CBF1、CBF3和COR基因显著上调,而CBF2基因显著下调。冷敏感种群超表达CBF1基因可以提高耐冷性到与耐冷性植株相近。
    用亚硫酸氢盐处理紫茎泽兰基因组DNA,比较39个种群入侵地与原产地种群CBF转录途径中的各关键原件的甲基化水平,发现虽然主要基因均有不同程度的甲基化,但仅有ICE1基因甲基化水平在不同种群间存在显著差异。且南部种群甲基化水平普遍较高,而越往北甲基化水平越低,甲基化程度与种群耐冷性、入侵时间呈显著正相关。编码区ICE1基因胞嘧啶甲基化数分别具有50个、61-63个、66-69个等表观遗传单体型,分别对应着耐冷性种群、中度耐冷性种群和冷敏感种群。因此,ICE1基因的去甲基化显著提高了ICE1及其CBF转录途径各基因的转录水平,导致植物种群耐冷性的增强。
    该研究不仅是首个将单个具体基因的表观遗传变异与外来植物入侵后的迅速适应性演化联系起来的研究案例。而且,还首次阐明了植物对低温响应的表型多态性是受CBF冷响应转录途径的ICE1基因甲基化水平的表观遗传变异所调节。因此,也给人以启示,单个关键基因的甲基化变异,可能调节整个逆境响应转录通路,决定植物对不同环境因子响应的表型多态性。
    该团队的解洪杰和李慧为共同第一作者。Molecular Ecology于2015年第4期发表了该研究成果(DOI: 10.1111/mec.13067),文章题目为ICE1 demethylation drives the range expansion of a plant invader through cold tolerance divergence。该研究得到了国家基础研究专项(2009CB1192)、国家自然科学基金(31070482)和教育部111项目(B07030)的支持。