刺槐基于根萌繁殖复幼的表观遗传调控基础

[目的]植物复幼是指从成熟期到幼龄期的发育逆转和发育潜力的恢复。根萌繁殖是刺槐无性繁殖复幼的重要繁殖方式,在刺槐良种繁殖和良种生产中有着重要的地位和作用。此外在林木的年龄效应和位置效应研究中,普遍认为根系具有胚胎干细胞特征,不存在年龄效应的积累,具有重新分化的能力,而树木的地上部分距离根系越远,年龄的积累越明显。根萌复幼是一个复杂的调控过程,包括重置基因表达模式、表观遗传修饰的建立、维持和去除。尽管人们对该现象非常感兴趣,但这一过程背后的表观遗传学机制仍然是不清楚的。[方法]以 15 株成年刺槐母树(MT)为材料,进行断根(RC)、原位促萌(RS)、扦插繁殖幼(SC)苗为无性繁殖幼龄材料,同龄种子繁殖苗(SS)为对照材料,进行叶片超微结构、叶片形态变化和叶片生理指标分析不同繁殖方式间差异,另以 3 株成年树刺槐及根系繁殖幼龄个体为材料,同龄种子繁殖苗为对照材料,检测 DNA 甲基化变化和转录水平响应。[结果]1)通过对不同繁殖方式幼龄苗对比分析,基于RC、RS和SS间形态和生理变化差异不显著,SC与MT呈现较为相似状态。叶片超微结构显示SS叶肉、叶绿体和线粒体体积较大,RC和RS间没有差异,SC呈现出叶肉、叶绿体和线粒体的体积比显著降低。2)基于根系繁殖在成熟个体和幼年个体的叶片中,平均 53%的CG、34%的CHG和 5%的CHH模式被甲基化。对不同基因组区域的CG、CHG和CHH平均甲基化水平的分析表明,CHH甲基化水平在样本之间差异最大,而 CG和CHG甲基化程度差异不大。CHH甲基化水平最高的是MT,其次是SS,RC和RS的甲基化水平相似且较低。3)在本研究中,在MT和RS、MT和RC以及MT和SS之间分别鉴定出 5002,17575 和 11418 个DMR.并富集催化活性、代谢过程和细胞过程。[结论]刺槐基于根系繁殖幼苗与种子繁殖幼苗呈现相似特性,与枝条再生相比,基于根系繁殖幼苗在生理、生长和发育方面具有优势。全基因组甲基化测定分析发现,尽管刺槐CG甲基化模式表现出高甲基化水平,但在CHH甲基化模式中观察到大多数甲基胞嘧啶,并且成年树和再生幼苗之间甲基化水平的差异主要发生在 CHH 甲基化模式。此外,DMRs主要分布于次级代谢产物的生物合成、MAPK信号和RNA转运通路。我们的研究结果为刺槐的繁殖策略和根系复壮的 DNA 甲基化的变化提供了一个新的视角,有助于未来研究植物复壮的表观遗传重置。