植物为了适应环境所展现出多样性表型的能力,称之为表型可塑性。表型可塑性受表观遗传机制调控,特别是DNA甲基化修饰可能扮演重要角色。但是,由于直接的基因研究案例较少,其内部的甲基化表观遗传调节机制尚不十分明了。因此,本文以DNA甲基化修饰与表型可塑性之间的关系为突破口,试图揭示植物表型可塑性表观遗传调控机制。DNA甲基化介导的拟南芥表型可塑性 选取了 27个不同生态型的拟南芥种群,在正常和5-氮杂胞苷(5-azaC)处理种子情况下,对其子叶长度、叶长、叶面积、开花时间、株高、叶片数、莲座直径、分枝数、角果数、角果长度、成熟时间、种子重量、抗真菌侵染能力、表皮毛数等14个表型性状进行了统计。结果发现,27个不同生态型的拟南芥种群之间在叶长、叶面积、开花等14个表型上表现出极为丰富的遗传多样性,而经过5-氮杂胞苷去甲基化处理后,不同生态型拟南芥种群的14个表型均表现出变异降低,多样性减少的趋势。以株高表型为例,表现为株高较高的拟南芥种群经去甲基化处理后,其株高降低,而株高较低的种群经去甲基化处理后呈现升高的趋势。从而揭示了拟南芥的表型可塑性是由相关性状通路的基因甲基化水平的高低所决定的。拟南芥叶长表型多样性的表观遗传学机制的研究 研究27个生态型拟南芥种群的叶长多样性与相关基因甲基化变异的关系,试图揭示叶长表型可塑性受表观遗传调控的机制。结果发现,不同生态型拟南芥叶长呈现出丰富的遗传多样性,通过甲基化抑制剂5-氮杂胞苷去甲基化处理,各种群叶长多样性变异降低,表现为叶长较长的拟南芥种群叶长缩短,而叶长较短的拟南芥种群叶长呈增长的变化趋势。生物信息学分析揭示拟南芥叶长发育通路中4个(SWP、ARF2、GRF1、EBP1)基因的甲基化程度与拟南芥叶长显著正相关。继而比较了这些基因在其中的3个典型拟南芥种群的野生型及其5-azaC处理后的表达模式,结果表明,在野生型拟南芥种群中,4个基因相对表达量与基因甲基化程度及叶长之间具有显著正相关性;而5-azaC处理后不同拟南芥种群间基因表达量差异降低。这表明叶长发育通路关键基因的甲基化变异,引起了其基因的差异性表达,从而最终导致了其叶长的多样性。ICE1基因甲基化介导的拟南芥耐冷表型多样性研究 低温是植物生长周期中常遇到的一个重要的非生物胁迫因子,植物也因此表现出了耐寒性的表型多态性,但其中的内部机制却尚不明朗。本研究以拟南芥为材料研究发现,来自28个不同地区的拟南芥种群的低温半致死温度从-4.9°C到-11.3 ℃不等,且不同生态的拟南芥种群所呈现的低温半致死温度与其生长环境的寒冷气候紧密相关。ICE1作为BF通路中的上游调控因子,通路中唯一与耐冷性呈显著负相关的基因,其编码区及启动子区的甲基化水平在整个CBF通路中所有成员中变异度最高,检测种群中有5-122个胞嘧啶甲基化位点不等。因此,选择了4个具有不同甲基化模式的典型拟南芥种群,并对其CBF通路中的基因进行表达量测定分析发现,除了AtCBF2外,剩余的其他基因表达水平均与典型种群中ICE1基因的甲基化水平呈显著负相关关系。而经5-azaC,及cmt1和drm突变体去甲基化处理后,CBF通路基因除去AtCBF2均表达上调,且拟南芥种群在耐寒性方面分别提升了 30.0-78.3%及10.0-48.3%,低温半致死温度也分别相应降低了 1.9-3.6℃及0.7-3.4℃,这些数据结果显示ICE1甲基化调控的CBF通路基因的转录表达,导致了拟南芥耐寒表型的多样性。为了进一步验证ICE1甲基化对其耐寒性的重要调控作用,本章进行了转基因试验发现,转入仅有13个甲基化位点的EaICE1基因的拟南芥转基因植株35S:AaICE1(DC,其EaICE1-ZDC基因表达量高于转入有52个甲基化位点的拟南芥转基因植株35S:AaICE1(HGG1)的EaICE1基因表达量,且外源ICE1基因对拟南芥CBF通路下游基因表达模式的影响具有相似模式,常温下AtCBF3和AtCOR47基因均不表达,AtCBF3在低温处理4小时表达量最高,AtCO47基因表达量随处理时间延长逐渐增加,但35S:AaICE1(DC植株中AtCBF3和AtCOR47基因的表达量显著高于35S:AaICE1(HGG1)植株,野生型植株Col-0表达量最低,从而导致其35S:AaICE1(DC转基因植株耐寒性高于35S:AaICE1(HGG1),野生型Col-0耐寒性最弱,进而验证了ICE1甲基化水平的差异对拟南芥耐寒性的影响,从而证明了ICE1的表观遗传变异及DNA甲基化可能在植物耐冷表型多样性方面扮演了重要角色。FVE基因甲基化介导的拟南芥开花表型多样性研究植物开花时间节律表型多样性是重要表观特征之一,其受调节的内部机制尚不明确。本文对27个拟南芥种群的开花时间观察现,开花时间介于19d到55d之间,显示出丰富的表型多样性,经5-氮杂胞苷去甲基化处理后,其野生型开花较早的种群处理后开花时间延长,而野生型开花时间较晚的种群呈现开花时间提前的趋势,且整体开花表型差异性降低;针对开花时间通路图整合发现,其中有13个基因与其甲基化程度具有显著正相关性,选择了 3个典型种群这13个基因相对表达量结果显示均与其甲基化数目呈显著负相关。而经过5-azaC处理后,基因表达量较低的种群,其相对表达量提高,表达量较高的种群呈现其相对表达量降低的现象;即使是通路中不相关的4个基因也表现出了相似的规律。对此,我们进一步的挑选了通路中的关键基因FVE,对其Col-0的FVE突变体进行了转基因试验,发现fve-3+35S::FVE(CS)(转入经简并性替换过的拟南芥FVE基因)及fve-3+35S::FVE(转入拟南芥原始FVE基因)转基因植株开花时间均显著提前,且fve-3+35S::FVE(CS)开花时间明显早于fve-3+35S::FVE,与其相对表达量结果规律一致,并符合其FVE基因甲基化数据结果,从而证明了FVE基因甲基化变异对开花时间变异的表观遗传调控机制。这暗示单个基因的甲基化调控基因的表达,导致拟南芥性状差异的表观遗传调控机制。