《Plant Stress》：Genetic and epigenetic signatures of
Populus trichocarpa in response to abiotic stresses
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本研究通過整合轉錄組與全基因組亞硫酸氫鹽測序(WGBS)，揭示了毛果楊(Populus trichocarpa)在干旱、高溫和鹽脅迫早期階段的動態表觀遺傳調控機制。研究發現不同脅迫誘導了獨特的轉錄和甲基化特征，約5%的差異表達基因(DEGs)伴隨差異甲基化區域(DMRs)，且DMRs富集于ERF、bHLH等轉錄因子結合 motif。該研究為木本植物脅迫抗性育種提供了新的分子標記和表觀遺傳調控靶點。
隨著全球氣候變化加劇，干旱、高溫和鹽堿化等非生物脅迫對植物生長尤其是多年生木本植物的生存和生產力構成嚴重威脅。樹木作為長壽命物種，在其生命周期中需要應對多種環境脅迫的疊加影響。盡管植物已進化出復雜的分子響應系統，但表觀遺傳機制特別是DNA甲基化在調控這些脅迫響應中的作用仍待深入解析。目前研究多聚焦于單一脅迫，而不同脅迫間共享及特異的表觀遺傳調控規律尚不明確。
為系統揭示毛果楊應對多重脅迫的遺傳與表觀遺傳基礎，研究人員在《Plant Stress》發表了題為"Genetic and epigenetic signatures of Populus trichocarpa in response to abiotic stresses"的研究論文。該研究通過對毛果楊無性系幼苗進行短期干旱(空氣干燥2小時)、高溫(45°C處理3小時)和鹽脅迫(200 mM NaCl處理3小時)處理，整合生理指標測定、轉錄組測序(RNA-seq)和全基因組亞硫酸氫鹽測序(WGBS)技術，揭示了早期脅迫響應中基因表達與DNA甲基化的動態關聯。
關鍵技術方法包括：1) 使用LI-600孔計/熒光計測定氣孔導度(gsw)、蒸騰速率(E)、PSII效率(ΦPSII)和電子傳輸速率(ETR)等生理指標；2) 對脅迫處理的葉片進行RNA-seq和WGBS建庫測序，數據比對至毛果楊v3.1參考基因組；3) 采用DESeq2進行差異表達基因(DEGs)分析，通過methylKit進行差異甲基化區域(DMRs)識別；4) 利用clusterProfiler進行基因本體(GO)和KEGG通路富集分析；5) 應用monaLisa軟件包進行轉錄因子結合 motif 富集分析。
3.1. 毛果楊幼苗對干旱、高溫或鹽脅迫的不同生理響應
所有脅迫均導致氣孔導度和蒸騰速率顯著降低，光合系統II效率和電子傳輸速率發生變化。其中干旱和鹽脅迫對氣孔導度的抑制更為顯著，而高溫脅迫下電子傳輸速率保持相對較高水平，表明不同脅迫誘導了特異的生理適應策略。
3.2. 轉錄組分析鑒定脅迫響應基因
RNA-seq鑒定到干旱、高溫和鹽脅迫下分別有5028/2461、6023/4125和4987/3865個基因上/下調表達。Venn圖顯示1140個基因被三種脅迫共同上調，589個基因共同下調，同時各脅迫存在大量特異表達基因，表明存在核心脅迫響應通路和脅迫特異調控網絡。
3.3. 功能富集分析揭示脅迫響應功能特征
GO富集顯示上調基因顯著富集于應激反應、缺氧響應、程序性細胞死亡等生物學過程。高溫脅迫特異富集蛋白折疊和熱激響應通路，干旱和鹽脅迫則更多涉及茉莉酸代謝和脂肪酸響應過程。下調基因主要與次生代謝、類黃酮生物合成等相關。
3.4. DNA甲基化組分析識別脅迫誘導DMRs
WGBS顯示全基因組CG、CHG和CHH上下文平均甲基化水平在不同脅迫間無顯著差異，但鑒定到大量位點特異性DMRs。CG上下文DMRs最為富集，主要分布于基因間區(41.6%)、基因體區(35.6%)和啟動子區(22.8%)。221個高甲基化DMR相關基因和183個低甲基化DMR相關基因被三種脅迫共享。
3.5. 轉座元件和啟動子區motif分析
285個轉座元件(TE)相關位點中，鹽脅迫誘導最顯著的甲基化變化。Motif富集分析發現DMRs中富含ERF、bHLH、ABF等轉錄因子家族結合位點，表明DNA甲基化可能通過調控轉錄因子結合參與脅迫響應。
3.6. DMR-DEG關聯分析揭示甲基化與表達的調控關系
干旱(r = -0.099)和鹽脅迫(r = -0.137)中基因表達與甲基化呈負相關，高溫脅迫(r = 0.103)則呈正相關。GO富集顯示DEGs與DMRs重疊基因顯著富集于次生代謝、類黃酮生物合成等通路。基因組瀏覽器可視化顯示特定基因(如C4H、HSFA6B、PIN1)的甲基化變化與表達改變密切相關。
研究結論表明，短期脅迫即可誘導毛果楊特異的表觀遺傳重編程，DNA甲基化主要通過CG上下文的局部變化調控脅迫響應基因。雖然整體甲基化模式穩定，但關鍵基因位點的甲基化動態與轉錄調控密切相關，尤其在與氧化應激反應和類黃酮生物合成相關的核心通路中。這些遺傳和表觀遺傳特征為開發木本植物脅迫抗性育種策略和早期脅迫生物傳感器提供了理論基礎。該研究首次系統比較了毛果楊對三種常見 abiotic stresses 的早期表觀遺傳響應，為理解樹木脅迫適應機制提供了新視角。
