表观遗传和遗传变异在美洲商陆种群适应重金属生境中的作用

Plants cope with environmental stresses by genetic variation and/or phenotypic plasticity. The phenotypic plasticity is generally caused by epigenetic variation. In this project, we intend to analyze the molecular mechanism for heavy metal tolerance in pokeweed (Phytolacca americana). In order to isolate the differentially methylated DNA sequences among samples and detect methylation polymorphisms (SMPs), the bisulfite-converted restriction site associated DNA sequencing (BsRADseq) will be used to analyze the populations from different sampling sites with alternative heavy metal pollutions. These samples will be cultured under the conditions of common garden for three consecutive generations, and then be analyzed by BsRADseq to compare the SMPs among different generations and illuminate the influences of SMPs on maternal environmental effects and the stress memory. Besides, the single nucleotide polymorphisms (SNPs) will also be analyzed based on the RADseq. Furthermore, the detected SMPs and SNPs related to heavy metal tolerance will be mapped to the transcriptome data to clarify the expression pattern of genes involved in these SMPs and/or SNPs, and then illuminate molecular basis of the adaptation under heavy metal stress. It is our innovation to study the molecular mechanism for the adaptive evolution under heavy metal stresses by BsRADseq and the combined analysis of it with RADseq and transcriptome data. We will show that it is a powerful pipeline to detect the SMPs and SNPs related to environmental stresses and analyze their expression patterns. Our research will provide a new insight on molecular mechanisms of adaptive evolution for plant under adversity.

植物适应不同环境胁迫的机制主要包括遗传变异和表型可塑性两种。其中，表观遗传变异可介导表型可塑性。本项目拟以美洲商陆为研究对象，通过最新的重亚硫酸盐简化基因组测序技术（BsRADseq），在单碱基水平上精确鉴定不同重金属生境的野外种群DNA甲基化差异，明确与耐重金属表型直接相关的单胞嘧啶甲基化多态性位点（SMPs）；通过同质园下连续培养野外种群三个世代，检测每个世代之间SMPs的差异，阐明表观遗传变异对“母体环境效应”和“胁迫记忆”的影响；通过简化基因组测序技术（RADseq）探讨单核甘酸多态性位点（SNPs）与重金属环境的关联性；通过联合分析BsRAD、RAD和转录组数据，探讨重金属胁迫下SMPs或SNPs位点相关基因的表达模式。本项目从表观遗传变异和遗传变异两个方面探讨植物种群重金属生境的适应性进化机制，为植物逆境下适应性机制研究提供有效方法和思路。

植物适应不同环境胁迫的机制主要包括遗传变异和表型可塑性两种。其中，表观遗传变异可介导表型可塑性。本项目以美洲商陆为研究对象，通过简化基因组测序（RAD）和重亚硫酸盐简化基因组测序技术（epiGBS），在单碱基水平上精确鉴定不同重金属生境的野外种群遗传变异位点和DNA甲基化修饰位点的差异，明确遗传变异在美洲商陆种群适应重金属环境中起更重要的作用。同时，利用Hi-C技术辅助Nanopore进行全基因组构建，首次获得美洲商陆高质量基因组，寻找到美洲商陆潜在的抗逆相关基因。通过连续世代的同质园实验，发现“母体环境效应”并未对美洲商陆种群适应重金属生境产生显著的影响。研究过程中发现，植物根际细菌对植物的生长和环境适应至关重要，因此探讨了重金属生境下根际细菌对美洲商陆适应环境的作用机制。我们的研究显示，根际微生物群落的聚集主要是由美洲商陆的发育驱动的。我们从重金属生境中的美洲商陆根际筛选出两株生长促进细菌（PGPB），施用PGPB可以显著促进美洲商陆的生长。通过全甲基化基因组测序（WGBS）和转录组的联合分析，我们发现接种PGPB引起的DNA甲基化修饰会影响与PGPB诱导的生长促进相关的基因表达。即使PGPB只能在土壤中短期生存，PGPB诱导的根DNA甲基化修饰具有“表观记忆”效应，能够长期的调控基因表达和介导促生过程。本项目从遗传和表观遗传变异两个方面探讨美洲商陆对重金属生境的适应性机制，从基因组功能揭示了美洲商陆适应重金属环境的遗传机制，同时提出了根际细菌影响根中DNA甲基化以促进美洲商陆生长的新机制。本研究首次揭示微生物介导的表观遗传变异对植物适应环境的作用，为植物逆境下适应性机制研究提供有效方法，并且为植物-微生物联合重金属修复提供新思路。