文獻(xiàn)

2021

Advanced Sciene

Multi-Omics Analysis Reveals the Mechanism Underlying the Edaphic Adaptation in Wild Barley at Evolution Slope (Tabigha)

課題背景

（1）土壤多樣性是植物進(jìn)化的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力之一，用于維持物種和生態(tài)系統(tǒng)的多樣性。土壤還為創(chuàng)始作物的馴化和它們朝著農(nóng)業(yè)興起和早期人類文明的形成奠定基礎(chǔ)缺猛。此外中姜，土壤是植物的生命基質(zhì)，為它們的生長(zhǎng)和發(fā)育提供必要的物理支持薯演、水分撞芍、礦物元素和微生物組。土壤的物理跨扮、化學(xué)和生物性質(zhì)對(duì)植物的生長(zhǎng)和發(fā)育具有重要影響序无。例如，沙質(zhì)土壤的水分保持能力差和頻繁的干旱事件傾向于推動(dòng)深根植物朝著更好的水分利用效率發(fā)展衡创。相反愉镰，硅質(zhì)土壤中降低的土壤通氣性和高濕度有利于病原細(xì)菌和真菌的傳播，導(dǎo)致根部感染和植物健康受損钧汹。因此丈探，通過培育適應(yīng)不同類型土壤的更好作物品種，可實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤資源的可持續(xù)和高效利用拔莱。?

（2）大麥在數(shù)千年來一直是重要的糧食作物碗降，現(xiàn)在也被用作飲料和飼料生產(chǎn)的原材料隘竭。在大麥的馴化過程中，特別是在現(xiàn)代育種和密集耕作之后讼渊，栽培大麥的遺傳多樣性顯著減少动看，因此成為提高生物和非生物脅迫耐受性的大麥育種的瓶頸。野生大麥（Hordeum spontaneum）適應(yīng)了不同土壤類型爪幻、水分可用性菱皆、溫度和海拔的廣泛環(huán)境，使其成為改良栽培大麥的理想遺傳資源挨稿。

（3）在進(jìn)化坡的生態(tài)地點(diǎn)（Tabigha仇轻，位于加利利湖北部的上加利利地區(qū)；Fig S1）奶甘，兩種截然不同的巖石和土壤呈現(xiàn)出顯著的化學(xué)和物理差異：堅(jiān)硬的中始新世鈣質(zhì)石灰?guī)r風(fēng)化成褐色干熱的Terra Rossa篷店，而毗鄰的上新世玄武巖則富含硅質(zhì)、濕潤(rùn)臭家，并富含真菌病原體疲陕。先前的研究表明，棲息在Terra Rossa土壤中的野生大麥群體對(duì)干旱脅迫的耐受性比在Basalt土壤中生長(zhǎng)的群體更強(qiáng)钉赁。有人認(rèn)為進(jìn)化坡（Tabigha）的野生大麥通過長(zhǎng)期的自然選擇蹄殃，特別是對(duì)于土壤的獨(dú)特物理、化學(xué)和微生物特性你踩，已經(jīng)演化出對(duì)獨(dú)特的環(huán)境應(yīng)激適應(yīng)性窃爷。

然而，有關(guān)野生大麥如何獲得應(yīng)激耐受性的機(jī)制仍然不清楚姓蜂。

Fig S1

（4）植物對(duì)環(huán)境脅迫的響應(yīng)是復(fù)雜的過程按厘，包括脅迫信號(hào)的接收、對(duì)脅迫的響應(yīng)钱慢、從脅迫引起的損傷中的恢復(fù)逮京、對(duì)脅迫的適應(yīng)以及環(huán)境脅迫的代際表觀遺傳記憶。因此束莫，植物需要在多組學(xué)水平上協(xié)調(diào)這些復(fù)雜過程懒棉，如染色質(zhì)重塑、轉(zhuǎn)錄調(diào)控览绿、轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)策严、翻譯后調(diào)節(jié)、蛋白質(zhì)相互作用饿敲、代謝重編程和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等妻导。由于多組學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，如基因組測(cè)序，全基因組亞硫酸鹽測(cè)序倔韭，轉(zhuǎn)錄組术浪，蛋白質(zhì)組和代謝組，我們對(duì)植物對(duì)環(huán)境脅迫的響應(yīng)的理解已經(jīng)得到了顯著的提高寿酌。這些技術(shù)中的許多已廣泛應(yīng)用于精選優(yōu)良種質(zhì)和鑒定新的等位基因胰苏、表觀等位基因、蛋白質(zhì)和代謝產(chǎn)物醇疼，以促進(jìn)氣候適應(yīng)性作物的分子育種過程硕并。

亮點(diǎn)

為了了解野生大麥如何協(xié)調(diào)多組學(xué)適應(yīng)性以適應(yīng)環(huán)境脅迫，作者對(duì)Terra Rossa和Basalt野生大麥群體進(jìn)行了全面的多組學(xué)分析秧荆，揭示野生大麥對(duì)兩種土壤類型的適應(yīng)性機(jī)制倔毙，并鑒定與野生大麥土壤適應(yīng)性相關(guān)的表觀等位基因、等位基因和代謝產(chǎn)物辰如。

結(jié)論1?Terra Rossa 和Basalt土壤環(huán)境中野生大麥的甲基化測(cè)序

為了研究DNA甲基化在土壤種群分化中的適應(yīng)性差異，作者對(duì)Terra Rossa和Basalt環(huán)境中的10份野生大麥群體的代表性個(gè)體進(jìn)行了全基因組重亞硫酸鹽測(cè)序贵试，共獲得了1620 GB的數(shù)據(jù)琉兜。比對(duì)到參考基因組后，平均覆蓋度為87.1%毙玻，平均深度為17×豌蟋，最終共檢測(cè)到131,408,470個(gè)mCG、97,714,324個(gè)mCHG和20,576,899個(gè)mCHH位點(diǎn)桑滩。

結(jié)論2?Terra Rossa 和Basalt土壤環(huán)境中野生大麥的差異甲基化

Fig 1A-C

然后梧疲，作者研究了兩個(gè)野生大麥群體之間的差異甲基化區(qū)域DMR，以檢測(cè)適應(yīng)兩種土壤類型（紅土和玄武巖）的DNA甲基化變異运准，總共檢測(cè)到121433個(gè)DMR幌氮，包括52306個(gè)CG-DMR、30720個(gè)CHG-DMR和38407個(gè)CHH-DMR（Fig 1A-C）胁澳。

Fig 1D-F

對(duì)于CG该互、CHG和CHH類型的DMR，平均長(zhǎng)度分別約為66韭畸、48和21 bp宇智，不同類型的DMR重疊很少（Fig 1C）。在兩個(gè)野生大麥群體中胰丁，高甲基化和低甲基化DMR的數(shù)量相似随橘，表明在全基因組水平上不存在整體的甲基化/去甲基化（Fig 1E）。CHG-DMRs均勻分布在每個(gè)染色體上锦庸，而CG-DMRs和CHH-DMRs在染色體的遠(yuǎn)端區(qū)域積累較多（Fig 1A）机蔗。值得注意的是，CG-DMRs和CHH-DMRs的染色體分布模式類似于基因的分布模式（Fig 1A）。此外蜒车，作者還研究了三種DMR類型在不同基因組區(qū)域（啟動(dòng)子讳嘱、外顯子、內(nèi)含子酿愧、基因間區(qū)域和轉(zhuǎn)座子）的分布沥潭。大量CG-DMRs和CHH-DMRs被檢測(cè)在gene body和啟動(dòng)子區(qū)域，而較少數(shù)量的CHG-DMRs位于這些區(qū)域（Fig 1F）嬉挡。

這些結(jié)果表明钝鸽，CG-DMRs和CHH-DMRs在野生大麥的兩個(gè)土壤種群之間的適應(yīng)性功能分化和基因區(qū)域的調(diào)控中可能發(fā)揮著重要作用。

Fig 1G-H

總體而言庞钢，作者鑒定出10478個(gè)DMR影響的基因拔恰，其中包括7558個(gè)CG-DMR基因、1253個(gè)CHG-DMR基因和4237個(gè)CHH-DMR基因（Fig 1G）基括。在啟動(dòng)子區(qū)域中颜懊，大多數(shù)DMRs是CG和CHH類型，而在gene body區(qū)域风皿，CG-DMRs是主要類型（Fig 1G）河爹。

作者對(duì)這些基因做了GO功能富集分析，發(fā)現(xiàn)CG-DMRs影響的基因主要與ATP的生成桐款、轉(zhuǎn)錄和翻譯相關(guān)咸这，而CHH-DMRs影響的基因富集在代謝過程中，包括碳和糖代謝以及應(yīng)激響應(yīng)途徑（Fig 1H）魔眨。

結(jié)論3?基因組和DNA甲基化的關(guān)聯(lián)

Fig S4

作者對(duì)十份野生大麥基于重測(cè)序數(shù)據(jù)做了群體結(jié)構(gòu)分析媳维、進(jìn)化分析和主成分分析（Fig S4），發(fā)現(xiàn)來自兩種土壤的基因型完全分離遏暴，而來自邊界區(qū)域的品種（Basalt 99和Terra Rossa 109/110）被發(fā)現(xiàn)是中間類型侄刽。

Fig S5

通過計(jì)算群體分化指數(shù)Fst來估計(jì)兩個(gè)野生大麥群體之間的基因組分化。高Fst值在大麥染色體3H朋凉、5H和6H上出現(xiàn)唠梨，表明這些基因組區(qū)域在兩個(gè)野生大麥群體之間存在更明顯的核苷酸差異（Fig 1A）。有趣的是侥啤，在這些區(qū)域發(fā)現(xiàn)了更多的DMRs当叭。為了研究DMRs的數(shù)量與Fst值之間的關(guān)系，作者進(jìn)行了這兩個(gè)參數(shù)之間的相關(guān)性分析盖灸。作者發(fā)現(xiàn)蚁鳖，F(xiàn)st與CG-DMRs（r = 0.392，p < 0.001）赁炎，CHG-DMRs（r = 0.426醉箕，p < 0.001）和CHH-DMRs（r = 0.237钾腺，p < 0.001）的數(shù)量之間存在顯著的正相關(guān)性（Fig S5A-C）。此外讥裤，作者鑒定到10478個(gè)DMR基因和2095個(gè)DSR基因放棒，其中984個(gè)基因存在重疊（Fig S5D）。這些結(jié)果表明DMRs可能與這些野生大麥種群中的基因組變異相關(guān)己英。

Fig S6

Terra Rossa種群在染色體3H间螟、5H、6H和7H上具有更高的正Tajima‘D值损肛，而Basalt種群在染色體1H厢破、3H、6H和7H上顯示較低的負(fù)Tajima’D值（Fig S6治拿，支持信息）摩泪。這些結(jié)果表明Terra Rossa種群處于平衡選擇狀態(tài)，而Basalt種群處于有向的選擇狀態(tài)劫谅。另外见坑，作者發(fā)現(xiàn)Basalt種群的遺傳多樣性低于Terre Rossa種群。

結(jié)論4?兩種土壤環(huán)境野生大麥的轉(zhuǎn)錄組和代謝組分析

Fig 2A-D

為了比較兩個(gè)野生大麥群體之間的轉(zhuǎn)錄組差異捏检，作者對(duì)十個(gè)品種的葉片和根進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組測(cè)序荞驴，每個(gè)土壤類型包括五份材料。Terra Rossa群體的葉片和根Basalt群體相比未檩，分別有712個(gè)和567個(gè)上調(diào)的差異表達(dá)基因以及497和752個(gè)下調(diào)的差異表達(dá)基因（Fig 2A, C）戴尸。

Fig 2E-F

GO富集和KEGG pathway富集顯示粟焊，在葉片和根中的差異表達(dá)基因顯著富集于“酚類物質(zhì)生物合成”和“植物病原體相互作用”（Fig 2E, F）冤狡。在“酚類物質(zhì)生物合成”中，Basalt品種中24個(gè)過氧化物酶編碼基因的表達(dá)水平高于Terra Rossa品種（Fig 2B, D）项棠。在“植物病原體相互作用”中悲雳，三個(gè)編碼致病相關(guān)蛋白的基因在Basalt品種的根中顯示出顯著更高的表達(dá)水平，而在Terra Rossa品種的根中則相反（Fig 2D）香追。編碼環(huán)核苷酸門控離子通道（CNGC4）的基因在Basalt品種的根中表達(dá)水平更高（Fig 2D）合瓢。整體而言，與來自干燥的Terra Rossa土壤的野生大麥品種相比透典，來自濕潤(rùn)的Basalt土壤的品種中與病原體抵抗相關(guān)的途徑更為活躍晴楔。

相比之下，“淀粉和蔗糖代謝”中的許多差異表達(dá)基因峭咒，包括兩個(gè)編碼海藻糖磷酸合成酶（TPS）和海藻糖磷酸酶（TPP）的基因税弃，在Terra Rossa群體的葉片中表達(dá)水平較高（Fig 2B）。此外凑队，四個(gè)水解酶基因则果，如β-葡萄糖苷酶、β-淀粉酶和內(nèi)切酶，也在Terra Rossa群體的葉片中表達(dá)水平較高（Fig 2B）西壮。這些水解酶催化淀粉或纖維素的水解遗增，產(chǎn)生葡萄糖等低分子糖類。綜合這些結(jié)果表明款青，與Basalt群體相比做修，Terra Rossa群體可能具有更高的糖類生產(chǎn)能力。

Fig 2G-H

基因組可都、轉(zhuǎn)錄組和蛋白組的變化最終將改變代謝組缓待，這被視為表型的鏡像。因此渠牲，作者利用GC-MS和UPLC-Q-TOF/MS分析了兩個(gè)野生大麥土壤群體中的代謝組旋炒。在葉片和根部分別鑒定了157和147種代謝產(chǎn)物。通過差異分析签杈，作者發(fā)現(xiàn)Terra Rossa群體的葉片中一些主要代謝產(chǎn)物的濃度更高瘫镇，如糖類（蔗糖、木糖答姥、半乳糖和葡萄糖）铣除、TCA循環(huán)中的有機(jī)酸（檸檬酸、蘋果酸和富馬酸）以及氨基酸（谷氨酸鹦付、天冬酰胺酸尚粘、??-氨基丁酸、色氨酸）敲长。Basalt群體的葉片和根部都顯示出較高濃度的酚酰胺及其衍生物郎嫁，包括香豆酰腐胺和香豆酰精胺（Fig 2G-H）。此外祈噪，在Basalt群體的根中觀察到較高濃度的谷胱甘肽（Fig 2H）泽铛。

作者還發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)野生大麥群體之間的代謝差異可以很好地通過差異表達(dá)基因來解釋辑鲤。Terra Rossa品系的葉片中糖類濃度較高（Fig 2G）盔腔，與水解酶基因的更高轉(zhuǎn)錄活性一致（Fig 2B）。Basalt群體的根中谷胱甘肽的更多積累（Fig 2H）與谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶（GSTs）的更高表達(dá)相關(guān)（Fig 2D）月褥。Basalt群體中酚酰胺的更高濃度（Fig 2G-H）主要與更活躍的苯丙酮途徑相關(guān)（Fig 2B弛随、D）。總體而言宁赤，轉(zhuǎn)錄組和代謝組都表明舀透，Terra Rossa群體在核心代謝方面的活性更高，而Basalt群體在次生代謝方面更為活躍礁击。

結(jié)論5?DNA甲基化調(diào)節(jié)mRNA和lncRNA的表達(dá)

Fig 3A-C

DNA甲基化在基因表達(dá)調(diào)控中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用灼擂。CG和CHG甲基化水平在接近TSS的上游區(qū)域急劇下降，其中“高”和“中高”組別中減少最為顯著（Fig 3A）卧斟。上游區(qū)域內(nèi)的前100bp的甲基化水平與野生大麥群體中基因表達(dá)水平呈負(fù)相關(guān)（Fig 3B）。與CG/CHG甲基化不同厉斟，CHH甲基化水平從上游區(qū)域的2000到300 bp逐漸增加，然后在300到100 bp處急劇減少（Fig 3A）强衡。有趣的是擦秽，在從1000到200 bp的上游區(qū)域，CHH甲基化水平與基因表達(dá)水平呈正相關(guān)（Fig 3C）漩勤。

Fig 3D-J

為了確定高甲基化或低甲基化對(duì)個(gè)體基因表達(dá)的影響感挥，作者在10個(gè)野生大麥品系中進(jìn)行了甲基化水平和基因表達(dá)水平之間的Pearson相關(guān)性分析。結(jié)果表明越败，TSS上游0-200 bp的CG甲基化水平與ZLOC_11983的表達(dá)水平呈負(fù)相關(guān)触幼，而TSS上游200-1000 bp的CHH甲基化水平與基因表達(dá)水平呈正相關(guān)（Fig 3G–J）。此外究飞，該基因及其周圍區(qū)域的SNP數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于差異甲基化區(qū)域的胞嘧啶數(shù)量置谦。因此，這表明差異基因表達(dá)可能更多地依賴于差異甲基化亿傅，而不是這些野生大麥群體中的基因組變異媒峡。

為了盡可能的降低假陽性，作者選擇了差異甲基化的基因進(jìn)行相關(guān)性分析葵擎。大多數(shù)相關(guān)系數(shù)沒有顯示統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性谅阿，表明DNA甲基化水平與基因表達(dá)水平之間沒有顯著的相關(guān)性。然而酬滤，值得注意的是签餐，在CG和CHG類型中，觀察到的負(fù)相關(guān)的數(shù)量超過了預(yù)期值敏晤，而在CHH上下文中贱田，觀察到的正相關(guān)的數(shù)量超過了預(yù)期值缅茉。例如嘴脾，ZLOC_7273和ZLOC_15741的啟動(dòng)子區(qū)域中的CG甲基化以及ZLOC_11578的CHG甲基化抑制了這些基因的表達(dá)，而CHH甲基化促進(jìn)了MLOC_36552的表達(dá)蔬墩。

此外译打，作者還檢驗(yàn)了DNA甲基化與lncRNA表達(dá)之間的相關(guān)性。類似地拇颅，CG和CHG甲基化抑制了lncRNA表達(dá)奏司，而CHH甲基化促進(jìn)了lncRNA表達(dá)。然而樟插，在lncRNA中韵洋，與mRNA相比竿刁，這些相關(guān)性要強(qiáng)得多（Fig 3D-F），表明DNA甲基化在調(diào)控lncRNA表達(dá)中發(fā)揮著重要作用搪缨。此外食拜，lncRNA啟動(dòng)子區(qū)域的DNA甲基化的PCA顯示了Basalt59/60/63和Terra Rossa161/166/169之間的明顯分離。相比之下副编，在與mRNA相關(guān)的DNA甲基化的PCA中负甸，并未顯示這兩個(gè)群體之間的分離。綜合這些結(jié)果痹届，表明DNA甲基化介導(dǎo)的lncRNA表達(dá)調(diào)控可能與野生大麥對(duì)不同類型土壤的適應(yīng)性有關(guān)呻待，顯示出顯著差異的生態(tài)學(xué)特征。

結(jié)論6?兩個(gè)野生大麥群體中酚酰胺合成的差異

Fig 4

兩個(gè)野生大麥群體在多組學(xué)水平上顯示出酚酰胺合成途徑的顯著差異（Fig 4A–C）队腐。Basalt群體中C4H蚕捉、ACT2和PHT1的表達(dá)水平較高（Fig 4B），這與酚酰胺的相對(duì)較高積累一致柴淘。

作者選擇了ACT2和C4H來檢查基因表達(dá)鱼冀、局部SNP和DNA甲基化之間的關(guān)系。Basalt76和Terra Rossa161/166中ACT2在葉片中的表達(dá)被大幅抑制悠就，而其他品系中表達(dá)水平適中千绪。基因表達(dá)的抑制可能與下游200 bp區(qū)域的CG和CHH甲基化或局部基因組變異有關(guān)梗脾。與所有Terra Rossa品系相比荸型，Basalt59/60/63/76中葉片中的C4H表達(dá)要高得多。C4H的表達(dá)與局部SNPs相關(guān)炸茧，然而瑞妇，在啟動(dòng)子區(qū)域或基因體區(qū)域中，基因表達(dá)與DNA甲基化之間沒有明顯的相關(guān)性梭冠。有趣的是辕狰，下游區(qū)域的大多數(shù)SNPs似乎與C4H表達(dá)相關(guān)，這表明局部基因組變異可能對(duì)相關(guān)基因的激活或抑制起到一定作用控漠。