毛白杨优异种质资源表观遗传效应及功能解析

Detection and dissection of epiallelic variations of perennial woody plants germplasm resources and further application of the epigenetic variation for core germplasm selection, is important in protection and utilization of germplasm resources of perennial woody plants. In our project, combining with the genome re-sequencing and bisulfate- sequencing data of Populus tomentosa, we use 528 individuals of germplasm populations from P. tomentosa to systematically launch several research topics as follows: 1) Analysis of epigenetic diversity and epi-population structure ; 2) Identification of additive, dominant, and epistatic effects, and their joint effects, and haplotypic effects of genome-wide epigenetics variations, respectively; 3) Genome wide analysis of expression patterns of epiallelic variations; 4) Analysis of DNA methylation genetic transcription regulatory mechanism using CRISPR-dCas9 technology. Therefore, our study could reveal the epigenetic variation regulation of P. tomentosa germplasm populations, dissect the genome-wide combined effects, including additive, dominant and epistatic effects, of phenotypic variation in germplasm resources of P. tomentosa, elaborate epigenetic transcription regulatory mechanism and establish high-effective theory and strategy for applied core collections. This work will provide innovative achievements, which have theoretical and practical values, on solving the significant theoretical and technical matters in protection and utilization of germplasm resources of perennial woody plants.

如何高效发掘多年生木本植物种质资源蕴藏的优异表观等位基因并对其遗传效应进行精确解析是构建多年生木本植物核心种质亟需解决的关键科学问题。本项目以毛白杨优异种质资源（528个体）为材料，基于已完成的种质资源群体重测序、重硫酸盐测序工作，系统开展：（1）毛白杨种质资源群体表观遗传多样性及遗传结构分析；（2）全基因组表观遗传变异位点的加性、显性与上位性效应解析；（3）DNA甲基化等位位点表达模式分析；（4）利用CRISPR-dCas9技术解析DNA甲基化遗传转录调控机制。研究结果将揭示毛白杨优异种质资源表观遗传变异规律，解析毛白杨种质资源全基因组表观遗传变异位点的联合遗传效应，阐明表观遗传变异位点的遗传转录调控机制。通过项目的设施，将为多年生木本植物种质资源评价、保护与利用提供前沿理论和技术支撑，具有重要的科学价值。

本项目利用重亚硫酸盐测序技术与分子遗传学技术手段，首次在多年生林木群体中开展了单碱基水平的DNA甲基化遗传变异图谱构建，阐明毛白杨种质资源群体表观遗传多样性，解析全基因组表观遗传变异位点的遗传效应，阐明表观遗传变异位点的遗传转录调控机制。主要研究结果如下：在毛白杨优异种质资源群体中，DNA甲基化水平为0.6-2.64%（平均为2.09%），其在三个气候区群体间DNA甲基化水平差异显著，共发现20090个气候区特异的DNA甲基化区域（DNA methylation regions，DMR），包括低甲基化（hypo-methylation）的DMR为10617个，超甲基化（hyper-methylation）为9473个，DMR区域相关基因主要富集于细胞代谢过程、碳代谢、RNA转运等生物学通路。利用DNA甲基化变异位点（single DNA methylation polymorphisms，SMP）与生长、木材品质与光合效率等30个表型性状进行表观全基因组关联分析，共鉴定出与表型性状显著连锁的1387个显著的SMPs位点和52个DMRs位点（P ≤ 3.04×10-7），并且这些显著位点主要富集在启动子区域以及外显子区域。利用EMSA技术验证了基因OM47启动子的DNA甲基化影响了上游转录因子BPC1的结合，进而调控了叶片面积。通过GWAS分析确定了DRM2与DME1是毛白杨主动去除DNA甲基化修饰的关键基因，以此构建了适用于毛白杨的CRISPR-dCas9 定点甲基化/去甲基化修饰系统。进而对基因OM47上的候选区域的DNA甲基化修饰进行定点编辑，发现OM47启动子区域的去甲基化激活了BPC1的结合，从而导致OM47基因表达量显著上升。该结果揭示了DNA甲基化作为基因组中广泛存在的标记位点，在多年生木本植物复杂性状形成中具有重要的调控作用。本项目首次在林木中开展了林木重要性状表观遗传效应解析研究，为开展林木表观基因组学以及表观分子设计育种提供了重要的理论基础和技术支撑。