Nature Com|我院钮世辉团队在针叶树年龄表观计时机制方面取得新进展

    2023年4月，ManBetX中国官网ManBetX China·中国ManBetX™钮世辉团队在Nature Communications上发表了题为“The methylation landscape of giga-genome and the epigenetic timer of age in Chinese pine”的研究论文，揭示了DNA甲基化作为表观遗传时钟调控针叶树年龄效应的分子机制。

针叶树是北半球森林生态系统的骨干和世界人工林的主体，我国近年来进口木材中有超过70%为针叶材。除了生态与经济价值，针叶树还具有不可替代的文化价值，在西方它是圣诞树，在中国松树更是以长寿常青闻名于寿堂与诗词，在中华文化中已经成为一种特殊的意象。王安石《字说》云，“松为百木之长，犹公也。故字从公”。油松（Pinus tabuliformis）是我国重要的乡土针叶树种，被称为“中国松（Chinese pine）”，其代表的“不畏逆境，顽强不屈，坚贞正直，自强不息”的青松品格已经成为中国风骨的象征。

林木童期调控机理、林木特有性状形成的表观遗传机制研究均是基于国家需求的未来5~10年林学基础研究关键科学问题（赵桂玲，等, 2019）。近年来，ManBetX中国官网钮世辉团队瞄准这些关键问题，以油松为材料，对针叶树特异的童期调控机理开展了系统探索。前期基于不同龄级材料，筛选到了针叶树年龄标志因子PtDAL1，并揭示了其作为年龄分子时钟随着生长时间逐渐积累，在成年个体中，其通过与成年组织特异表达的PtMADS11直接相互作用，将年龄信号特异性地在成年组织中转化为生殖发育信号，从而启动油松的生殖发育时相转变的调控机制（Ma, et al. Plant Physiology, 2021），为针叶树特异的童期调控机制打开了重要突破口。并基于自主开发的Y2H-seq高通量互作蛋白筛选技术，全面解析了DAL1直接相互作用蛋白组，揭示了DAL1有可能作为一个分子“掮客”，将各种环境与内源信号整合为统一的年龄信号，通过与不同“分舵”蛋白直接接触，将年龄信号转换成不同生长阶段相恰的生理进程（Chen, et al. Forestry Research. 2021）。

表观遗传调控是植物生长发育中重要的基因表达稳态保持机制，是植物发育调控机制研究关注的热点。但是，由于针叶树基因组巨大，缺乏高质量参考基因组，而且超大基因组的大规模数据分析也面临严峻的算力挑战。2022年，该团队突破了针叶树超大基因组组装与基因注释瓶颈，成功组装了油松25.4 Gb染色体级高质量基因组，并空前地利用大规模RNA-seq数据对针叶树超长基因进行了精确识别与注释（Niu, et al. Cell. 2022），为针叶树童期这一林木特有性状形成的表观遗传机制研究解除了最后的技术障碍。

近期，该团队在Nature Communications上发表了关于针叶树童期调控最新研究成果，揭示了DNA甲基化作为表观遗传时钟调控针叶树年龄效应的分子机制。

1.油松中DNA甲基化水平与基因表达丰度紧密相关

基于全基因组单碱基水平DNA甲基化组与转录组分析，发现在油松中DNA甲基化水平与基因表达丰度紧密相关（图1a），这种相关性与样本年龄无关（图1b）。有趣的是，DNA甲基化影响基因表达的范围在转录起始区与终止区存在较大差异，与转录起始区（-500bp）相比，似乎转录终止位点下游2000bp内甲基化水平对基因表达具有更重要的调控作用（图1c）。

图1. 油松中DNA甲基化水平与基因表达丰度紧密相关

2.针叶树超长内含子被高水平甲基化标记

随着基因组的膨胀，针叶树产生了许多超长内含子，如油松平均内含子长度达10kb，约为被子植物平均值的20。本研究发现DNA甲基化水平与内含子长度密切相关，>10kb的超长内含子被高水平甲基化所标记（图2a）。大内含子接近饱和的甲基化是由于插入了大量的TE引发的，外显子区被明显的低CHG甲基化所标记（图2b）。

图2. 针叶树超长内含子被度甲基化

3.DNA甲基化是油松年龄的表观计时器

对不同年龄样本进行WGBS分析发现，油松全基因组DNA甲基化水平随着年龄的增长而逐渐增长。CG与CHG差异甲基化区表现出更明显的年龄依赖变化趋势，聚类分析结果显示，随年龄逐渐上升与下降是最显著的差异甲基化区变化模式（图3），表明DNA甲基化模式可以作为油松年龄表观遗传标记，来实现年龄的时序性与长期记忆。

图3. 油松中DNA甲基化水平变化模式与年龄增长显著相关

4.DNA甲基化调控油松年龄分子时钟DAL1年龄依赖的表达模式的建立

在油松中，PtDAL1是与年龄相关系数最高的基因（图4），基于其它物种基因表达数据表明，其同源基因在挪威云杉（Picea abies）(Carlsbecker, et al., 2004; Tandre, et al., 1995)、日本落叶松（Larix kaempferi）(Xiang, et al., 2019) 、日本柳杉中（Cryptomeria japonica）(Katahata, et al., 2014)中同样表现为年龄依赖的表达模式，表明DAL1在针叶树中是一个保守的年龄标志基因。

图4. DAL1作为年龄时钟可以精确预测样本年龄

然而，DAL1如何实现表达量随年龄增长而逐渐升高的机制一直是个谜。本研究发现油松DAL1是典型的超长基因，其基因长度高达406 kb，而编码区不足2‰。有趣的是，本研究发现DAL1第一内含子区有两个区域随年龄增长DNA甲基化水平逐渐降低，这种变化模式与程度与DAL1基因表达模式显著相关，进一步证实，DNA甲基化可以作为年龄的表观计时器，调控不同年龄转录组稳态的建立。

图5. DAL1年龄依赖表达模式与DNA甲基化密切相关

ManBetX中国官网ManBetX China·中国ManBetX™钮世辉教授为本研究通讯作者，李江博士后为第一作者，美国密歇根理工大学卫海荣教授、瑞典农业大学Harry X. Wu教授、ManBetX中国官网李悦教授、李伟教授、袁同琦教授等参与了相关研究工作。该研究得到了国家自然科学基金（31870651）和中央高校基本科研业务费（BLRD202122和2021ZY55）项目的支持。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-37684-6

作者：钮世辉

执行编辑：张亚坤

审核：杜庆章