Promoter区CHH DNA甲基化水平提高增强美洲黑杨气候适应性

[目的]研究不同气候区美洲黑杨DNA甲基化变化模式与基因表达的关系，明确影响美洲黑杨气候环境适应性的分子特征，为杨树适应环境分子机制研究和应对气候变化育种提供参考。[方法]以引种于6个天然分布区种源地的334个美洲黑杨基因型分别栽植于自然条件差异明显的热带季风气候区(海口定安，年平均气温25.9℃，年日照时长1999.2h;高温短日照)和温带季风气候区(山东宁阳，年平均气温15.8℃，年日照时长2424.8h;常温长日照)的进行高强度自然选择筛选出适应性表现不同的5个美洲黑杨基因型为材料，对其3年生叶片进行高通量转录组、单碱基DNA甲基化测序，利用生物信息学方法进行差异比对、关联分析、调控网络构建等，明确调控美洲黑杨气候适应性的DNA甲基化调控模式，鉴定增强美洲黑杨适应性的关键DNA甲基化区域及功能基因。[结果]1)5个美洲黑杨基因型在温带和热带地区生长差异不同;引种于加拿大魁北克省(QC)的PD5(环境胁迫高敏感型)在两个地区表现出最大的生长差异，而引种于美国路易斯安那州(LA)的PD1/3/4(中度敏感型)以及PD6(不敏感型)生长差异相对较小，其中PD6在两地无显著差异。2)整体上，热带地区5个美洲黑杨基因型的总mCs平均甲基化水平(8.06-9.42％)明显高于温带(6.68-8.36％)，特别是CHH类型(平均上升了53.35％)。3)以热带地区为对照，5个基因型在两个地区的CHH类型显著差异甲基化区域(CHH-DMRs)76.84-90.84％为hyper-Promoter-CHH-DMRs，受种植地环境(温带和热带)影响，且各对比组共有CHH-DMGs数量(1493)明显高于其特有的(70-853);而HKPD5vs.NYPD5中特异性的存在大量CG/CHG-DMRs，特别是在Promoter/exon/intron区，受种源环境(LA和QC)影响。4)鉴定到56个在5个对比组具有相同差异趋势的共有hyper-Promoter-CHH-DMEGs，包括显著高表达的热胁迫(HSP15.7和HSFA6b)和脱落酸相关基因(CYP707A4)，显著低表达的生长素(ARF6)和细胞分裂素相关基因(CYCB2和NACK2);HKPD5 vs.NYPD5特异性的CG-DMGs和CHG-DMGs中分别鉴定到1个与环境胁迫敏感性显著负相关的模块，其中148个Promoter/exon/intron区的CG-DMEGs负向调控了热带地区PD5的碳代谢、糖代谢和氨基酸代谢等基本生命活动。[结论]高强度自然选择压下，美洲黑杨主要通过CHH类型DNA甲基化差异适应环境变化，而不同种源美洲黑杨基因型的CG和CHG类型DNA甲基化水平调控了其对种植环境的适应性。适生范围内，hyper-Promoter-CHH-DMRs通过调控早期信号、热和光胁迫响应以及植物激素(生长素、脱落酸和细胞分裂素)合成及传导提高美洲黑杨的普遍适应性;而当超过适生范围时，Promoter/exon/intron-CG-DMRs负向调控了其基本生命活动基因的表达，通过抑制其生长以最大化维持其在极端环境的生存。研究结果初步揭示了CG/CHH类型DNA甲基化在调控美洲黑杨对气候变化普遍适应性和特异适应性的新见解，为林木对激烈环境变化的适应性机制研究以及应对气候变化育种提供了有益参考和有价值基因。