紫茎泽兰耐冷快速演化向北入侵的表观遗传学机制

Crofton weed (Ageratina adenophora), a highly invasive alien plant, has invaded eight provinces through southwest China and consequently caused serious economic losses and ecological disasters. It was found that ICE1-demethylated drove continuous spreading the developed areas northeastward through cold tolerance evolution, which will lead to potential risk. Based on our previous discovery on epigenetics of cold-tolerance differentiation, we propose the present proposal to continuously study the difference in methylation level and space-time expression of other key genes, except ICE1, in CBF transcription pathway among different populations. The interaction of ICE1 with SIZ1, HOS1, SAL1/FRY1, CPL1/FRY2 and SFR6 genes will be comparatively studied in transcription and expression level. The main objectives are to reveal interaction mechanism of epigenetic and methylation in CBF pathway regulated by multiple genes. Furthermore, to verify the methylation variation and genetic mechanism, the methylation sites of ICE1 gene of the hybrids and self-pollinated progenies of crofton weed will be determined. Through these studies, we try to clarify that epigenetic mechanism of the cold tolerance evolution among Crofton weed populations derived by DNA methylation of multiple genes of CBF pathway. This will provide a theoretical basis for predication of the invasion range and prevention of crofton weed.

外来恶性杂草紫茎泽兰已入侵我国西南8省区，造成了严重的经济损失和生态灾难。研究发现其通过ICE1基因的去甲基化驱动了种群耐冷性的自然分化成功蔓延扩散，有持续向东北发达地区入侵的趋势，因此潜在着更大的风险。本项目基于紫茎泽兰耐冷性分化的表观遗传的前期基础立题，继续研究CBF冷响应转录途径中除ICE1基因外其他关键基因的甲基化差异及其时空表达模式，明确通路中受甲基化调节的其它关键基因；比较研究ICE1基因与SIZ1或(和) HOS1、SAL1/FRY1、CPL1/FRY2、SFR6基因在转录和表达水平的协同效应，揭示CBF转录途径的多基因表观遗传调节和基因甲基化互作机制；进一步通过研究紫茎泽兰杂交及套袋自交后代ICE1基因的甲基化位点遗传和变异，揭示耐冷通路的表观遗传及变异机制。充分阐明紫茎泽兰种群耐冷性分化多基因调控的表观遗传学机制，为预测紫茎泽兰的蔓延扩散范围和防治其入侵提供理论依据。

尽管我们前期研究已揭示ICE1基因去甲基化介导CBF通路驱动紫茎泽兰耐冷性分化，但不明确是否有其它基因也通过甲基化参与该通路的调控。因此，深入研究了CBF通路上泛素化/苏素化基因AaSIZ1、AaHOS1的甲基化变异及其效应，研究发现紫茎泽兰AaSIZ1、AaHOS1启动子CHH甲基化与耐冷性、基因表达量显著负相关，与AaICE1基因甲基化显著正相关，说明CHH甲基化相向协同参与了紫茎泽兰耐冷性调控。拟南芥的AtSIZ1、AtHOS1基因区甲基化也参与耐冷调控。首次揭示了SIZ1-HOS1启动子CHH甲基化变异通过调节自身表达，影响ICE1蛋白稳定性，相向协同参与紫茎泽兰耐冷调控，导致该草在入侵中国后快速适应性演化向北扩张的机制。.针对尚不明确ICE1基因受甲基化调控决定耐冷多态性是否具有普遍规律，开展了拟南芥及杂草稻耐冷性分化的表观遗传机制研究。对37个拟南芥种群CBF通路基因与耐冷性分析发现，CBF通路中AtICE1甲基化变异度最高，且与表达量显著负相关。对全国100个杂草稻及相应水稻耐冷性与OsICE1甲基化比较发现，仅启动子CHG和CHH甲基化与耐冷性、纬度、生境温度显著负相关。综合前期紫茎泽兰的研究，首次明确了ICE1基因区和启动子区可以同时甲基化，也可以仅是其中之一甲基化,调控ICE1基因表达，决定植物耐冷多态性的甲基化调控的多样性。该发现对理解植物分布扩展及耐寒作物育种具有重要的理论和实践价值。.为明确ICE1基因甲基化位点遗传和变异规律，还比较了紫茎泽兰和拟南芥杂交及套袋自交后代ICE1基因甲基化程度。由于紫茎泽兰生长周期长，研究代际间的表观遗传变异演化较慢，因此，我们利用模式植物拟南芥进行了研究,结果显示，耐冷及冷敏感种群杂交及自交后代仍保留母本耐冷性状，而中度耐冷种群杂交后代会发生耐冷性分化，这些与AtICE1基因甲基化遗传变异相关。这为理解由ICE1基因甲基化遗传变异介导的对耐冷多态性及环境温度适应演化提供了理论基础。.项目执行期间，累计发表论文5篇，其中SCI论文2篇，专利3项，专著1部，培养研究生6名，制定了首个杂草检疫国际标准，获得教育部科技进步二等奖1项。