DNA甲基化影响杂交植物的优势

杂交活力是指杂交植物或动物与其亲本相比显示出优越的性状。一个研究小组发现，参与维持DNA甲基化的基因与拟南芥中的杂种优势密切相关。这有可能适用于其他十字花科蔬菜，如大白菜，并可能导致更高效的高产蔬菜育种。该研究结果发表于10月8日的“美国国家科学院院刊 ”网络版。研究小组包括ISHIKURA Sonoko，MIYAJI Naomi，副教授FUJIMOTO Ryo，YASUDA Takeshi教授(均来自神户大学农业科学研究生院)和Elizabeth S. Dennis博士以及W. James Peacock博士(澳大利亚CSIRO农业) )。

杂交植物具有在农业中有用的品质，例如生物量的增加和应力恢复。培育出具有这些杂种活力属性的第一代杂交植物(F1植物)被广泛培育。从全球来看，目前玉米，水稻和油菜籽都是F1杂交品种。这种现象是在100多年前发现的，记录在达尔文着名的“物种起源”中。从20世纪初玉米杂交F1品种的开发开始，应用了一系列杂交农作物，产量急剧增加，结果与“绿色革命”相当。然而，这种现象背后的分子机制仍不清楚。

众所周知，植物性状由DNA决定，特别是由A(腺嘌呤)，T(胸腺嘧啶)，C(胞嘧啶)和G(guamine)的四种碱基(碱基序列)的组合决定。近年来，科学家们发现，即使DNA碱基序列相同，也可以观察到不同的特征 - 正如你从同卵双胞胎中看到的那样。这种与碱基序列变化无关的改变的表达被称为表观遗传调节(与遗传调节相反)。DNA甲基化已经成为表观遗传调控的一个例子。在真核生物中添加或减少甲基胞嘧啶修饰基因表达，而碱基序列保持不变。DNA还与组蛋白结合形成染色质结构。DNA甲基化和由组蛋白修饰引起的染色质结构的变化都与基因表达的修饰有关。最近有多篇报道称杂种活力受表观遗传调控和遗传学的影响。

在模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)(其属于与中国卷心菜相同的十字花科(Cruciferae)家族)中可以看到杂种优势。在C24和Columbia-0(Col)之间杂交的第一代杂种中，植物具有增加的生物量(Fujimoto等人，2012，PNAS 109：7109-7114)(参见图1)。然而，仍然没有完全理解为什么这种F1杂交植物与其亲本相比显示出优越的特性。

在这项研究中，研究小组使用拟南芥与DNA甲基化相关基因的突变，并通过确认杂交活力的实例，他们调查哪些基因和调控基因的表观遗传修饰与杂种优势相关。

各种基因共同调节DNA甲基化。其中，当MET1(甲基转移酶1，参与维持CG甲基化)和Pol IV(与RdDM相关，RNA指导DNA甲基化，导致从头甲基化)失去其遗传功能时，在DNA甲基化中观察到异常，但没有对杂种优势的可观察效应。然而，在使用具有非功能性DDM1染色质重塑因子(通过修饰染色质结构维持DNA甲基化)的植物产生的F1杂种中，在DNA甲基化中观察到异常，并且杂交活力水平显着降低(参见图2)。这表明DDM1和杂种活力密切相关，并且由DDM1(DNA甲基化)调节的表观遗传修饰在杂种优势中是重要的。目前，研究小组正在准备全面分析DDM1功能丧失引起的DNA甲基化变化以及DNA表达水平的变化。基于这些发现，他们计划最终确定调节杂种活力的基因。

拟南芥(Arabidopsis thaliana)是十字花科植物，这意味着通过该研究获得的知识可以应用于该家族中的其他植物，例如大白菜，卷心菜，西兰花和油菜籽。这可能用于培育高产作物品种。该团队还在研究使用大白菜的杂交活力(见图3)。

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