[论文解读] DNA methylation variation in Arabidopsis has a genetic basis and shows evidence of local adaptation

Manu Dubin, Pei Zhang+16 more|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2014

Plant Molecular Biology Research参考文献 39被引用 11

一句话总结

本研究表明，拟南芥（Arabidopsis thaliana）的DNA甲基化变异具有强烈的遗传基础，并与局部适应相关。虽然温度主要影响转座子中的CHH甲基化，但CpG基因体甲基化与起源纬度相关，且受反式作用位点的遗传调控，其中许多位点表现出局部适应的特征，直接将表观遗传变异与环境适应联系起来。

ABSTRACT

Epigenome modulation in response to the environment potentially provides a mechanism for organisms to adapt, both within and between generations. However, neither the extent to which this occurs, nor the molecular mechanisms involved are known. Here we investigate DNA methylation variation in Swedish Arabidopsis thaliana accessions grown at two different temperatures. Environmental effects on DNA methylation were limited to transposons, where CHH methylation was found to increase with temperature. Genome-wide association mapping revealed that the extensive CHH methylation variation was strongly associated with genetic variants in both cis and trans, including a major trans-association close to the DNA methyltransferase CMT2. Unlike CHH methylation, CpG gene body methylation (GBM) on the coding region of genes was not affected by growth temperature, but was instead strongly correlated with the latitude of origin. Accessions from colder regions had higher levels of GBM for a significant fraction of the genome, and this was correlated with elevated transcription levels for the genes affected. Genome-wide association mapping revealed that this effect was largely due to trans-acting loci, a significant fraction of which showed evidence of local adaptation. These findings constitute the first direct link between DNA methylation and adaptation to the environment, and provide a basis for further dissecting how environmentally driven and genetically determined epigenetic variation interact and influence organismal fitness.

研究动机与目标

• 研究来自不同地理起源的拟南芥（Arabidopsis thaliana）品系中DNA甲基化变异的程度及其基础。
• 确定温度等环境因素是否诱导表观遗传变化，以及这些变化是否具有可遗传性或受遗传因素影响。
• 评估DNA甲基化变异是否与地理适应相关，特别是与纬度等气候梯度的关系。
• 利用全基因组关联分析（GWAS）识别与甲基化变异相关的遗传变异。
• 区分环境诱导与遗传决定的表观遗传变异，并评估其在适应中的作用。

提出的方法

• 在两种不同温度（16°C和22°C）下培养192个拟南芥（Arabidopsis thaliana）品系，进行DNA甲基化水平的表型分析。
• 全基因组亚硫酸盐测序，以在基因组范围内分析CpG、CHG和CHH三种背景下的DNA甲基化。
• 利用全基因组关联分析（GWAS）识别与特定基因座甲基化变异相关的顺式（cis-）和反式（trans-）作用遗传变异。
• 通过甲基化水平与地理起源（纬度）的相关性分析，评估局部适应模式。
• 鉴定与CpG基因体甲基化相关的反式作用位点，并利用FST及其他群体遗传学统计量检测选择信号。
• 对显著甲基化数量性状位点（mQTLs）附近的功能候选基因进行功能验证与富集分析，特别关注CMT2附近区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 拟南芥（Arabidopsis thaliana）的DNA甲基化变异在多大程度上受温度等环境条件的影响？
• RQ2 观察到的甲基化变异主要是由遗传因素驱动，还是由环境诱导所致？
• RQ3 基因体中的DNA甲基化是否与品系的地理起源（特别是纬度）相关？
• RQ4 与甲基化变异相关的遗传位点是否在局部适应特征上富集？
• RQ5 CpG基因体甲基化与纬度相关性的分子基础是什么？其与基因表达有何关联？

主要发现

• 转座子中的CHH甲基化随温度升高而增加，表明存在环境响应，但该效应仅限于特定基因组区域。
• CpG基因体甲基化（GBM）与起源纬度呈显著正相关，来自较冷区域的品系表现出更高的甲基化水平。
• 基因组中相当大一部分区域在北部品系中表现出更高的GBM，且该现象与相应基因转录水平升高相关。
• 全基因组关联作图识别出反式作用位点是GBM变异的主要驱动因素，其中一个重要位点位于DNA甲基转移酶基因CMT2附近。
• 许多与GBM相关的反式作用位点表现出局部适应的特征，包括FST值升高及自然群体中存在选择证据。
• 本研究首次提供了直接证据，证明遗传调控的DNA甲基化变异与植物的局部适应直接相关。