基因组变异与m6A修饰在植物亚种水平环境响应差异中的协同作用机制研究

《Plant Stress》：Involvement of genomic variations and m6A modification in differential gene expression related to environmental responses: a subspecies-level study in plants

本研究针对植物亚种间环境响应差异的分子机制，通过整合基因组变异与m6A表观转录组分析，系统揭示了m6A修饰与SNPs对胁迫响应基因差异表达的调控作用，为作物抗逆育种提供了新靶点。

　　

植物作为固着生物，长期面临环境波动的挑战。为了生存，它们演化出精密分子策略以应对生物和非生物胁迫。然而，不同植物物种或亚种间环境响应差异的分子基础仍有待深入解析。近年来，表观转录组修饰尤其是m⁶A（N⁶-甲基腺苷）甲基化被发现在基因表达调控中发挥关键作用，但其在亚种水平环境适应性差异中的贡献尚不明确。

杭州师范大学孟义军团队在《Plant Stress》发表的研究中，选取具有显著生境参数差异的7个拟南芥生态型和6个水稻品种，通过全转录组m⁶A甲基化测序（MeRIP-seq）和RNA-seq整合分析，揭示了基因组变异与m⁶A修饰在环境响应基因差异表达中的协同作用。研究发现，拟南芥和水稻分别鉴定出1,428-3,099和1,295-2,766个差异m⁶A峰，这些峰显著富集于转录本3'端，且外显子数量多的基因更易发生低甲基化。通过正交同源基因分析，发现约30%的差异峰相关基因在两种植物间功能保守。

研究采用MeRIP-seq、RNA-seq、RT-PCR等技术，结合公共数据库的SNP信息和胁迫处理甲基化数据，系统分析了m⁶A修饰与基因表达的关联。结果显示，m⁶A修饰与SNPs共同影响外显子差异表达，且m⁶A修饰水平与circRNA表达变化相关。这些发现为解析植物亚种水平环境适应性差异提供了基因组和表观转录组新视角。

3.1 不同亚种的转录组m⁶A谱

研究通过MeRIP-seq构建了七种拟南芥生态型和六种水稻品种的m⁶A甲基化谱。差异峰分析显示，m⁶A修饰在3'UTR区域高度富集，且水稻品种中高甲基化峰数量普遍多于低甲基化峰。植物特异性基序URUAY的频率差异可能部分解释了两物种甲基化模式的差异。

3.2 差异m⁶A峰相关基因

研究发现m⁶A修饰与基因表达无固定相关性，但外显子数量多的基因更易发生低甲基化。正交同源分析表明，拟南芥和水稻间约30%的差异峰相关基因功能保守，且GO富集分析显示这些基因显著参与胁迫响应。

3.3 环境响应相关的差异表达与甲基化基因

差异表达基因分析鉴定出拟南芥生态型特异性基因562-953个，水稻品种特异性基因155-3,521个。这些基因显著富集于盐胁迫、干旱、低温及光响应等通路。结合胁迫处理甲基化数据，证实差异甲基化基因与环境适应性密切相关。

3.4 m⁶A修饰与环境响应基因外显子差异表达

研究发现m⁶A修饰通过影响外显子表达调控胁迫响应基因。例如，拟南芥AT5G28540（热休克蛋白）第6外显子在Altai-5中低表达且伴随高甲基化，该生态型生境温度变幅大于Col-0。类似地，水稻LOC_Os05g06500（冷响应蛋白）外显子表达受m⁶A修饰调控，且与品种生境温度差异相关。

3.5 基因组多态性与外显子差异表达

SNP分析显示，位于剪接位点的SNPs可能直接导致外显子差异表达。例如，拟南芥AT1G02330（蓝光响应基因）外显子表达因SNP存在而显著抑制，水稻LOC_Os01g07880（光响应基因）外显子表达也受SNPs影响。这些SNPs可能与亚种生境适应性相关。

3.6 m⁶A修饰与circRNA差异表达

研究首次发现m⁶A修饰影响circRNA表达。拟南芥ICE73中AT1G65280来源的circRNA低表达与低甲基化相关，该基因编码热激蛋白。水稻DY5中LOC_Os03g62870来源的circRNA高表达与高甲基化相关，且其甲基化水平对光刺激敏感。

讨论与结论

本研究通过多组学整合分析，揭示了m⁶A修饰和SNPs在植物亚种水平环境响应差异中的协同作用。结果表明，差异m⁶A修饰通过调控外显子表达和circRNA生成，与基因组变异共同贡献于胁迫响应基因的差异表达。该研究为作物抗逆育种提供了新型分子靶标，并深化了对表观转录组在植物适应性进化中作用的理解。