中国农科院揭示谷子驯化表观遗传机制

11月7日，中国农业科学院作物科学研究所特色农作物优异种质资源发掘与创新利用、作物转基因及基因编辑技术与应用创新研究组联合中国科学院动物研究所，首次在群体水平揭示了转座子多态性驱动谷子驯化中表观遗传变异与表型多样化的分子机制。

谷子作为起源于我国的禾谷类作物之一，约1万年前由青狗尾草驯化而来，并演化出不易脱粒、分蘖减少、籽粒增大等典型“驯化综合征”表型。已有研究表明，谷子落粒、抽穗期等特性改变，是由于相应基因位点的转座子插入。然而，此前研究多局限于单个基因或个别性状，缺乏在群体尺度上系统解析转座子多态性如何重塑DNA甲基化景观并驱动驯化表型多样化的研究。

研究团队对60份谷子野生种、农家品种、现代育成品种代表性种质开展了全基因组测序，结合图泛基因组、转录组及小RNA数据进行系统分析。研究发现，谷子在驯化过程中，DNA甲基化升高主要集中于在转座子相关的“非必需”基因组区域，共鉴定出76,815个差异甲基化区域，其中98.6%发生于驯化阶段。进一步分析表明，一类微型反向重复转座元件是诱发基因组局部超甲基化的关键因子，研究在群体水平证实了“转座子扩增—DNA甲基化重塑—基因表达调控”的因果链条。随后，研究筛选鉴定出59个驯化相关候选基因。其中，多效性基因SiGW3 存在两处微型反向重复转座元件插入，该插入可引起DNA甲基化进而抑制基因表达；基因编辑实验证实，该基因表达下调可协同调控株型、穗型和粒重等多个性状。同时，研究还阐明了落粒性、分蘖、株型等基因受转座子及甲基化调控的机制。该研究将转座子重新定位为表观遗传多样性和表型创新的重要来源，为禾本科作物分子设计育种提供了新理论与靶点。

中科院动物所博士研究生郭文磊，作科所研究员汤沙、隋毅为该论文共同第一作者，中科院动物所陈金锋研究员、作科所刁现民研究员为论文共同通讯作者。该研究得到作物基因资源和育种全国重点实验室、国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目资助。