《科学进展》：植物是如何进化出多种方式来克服遗传指令的

华盛顿大学的生物学家研究了植物DNA甲基化的内部机制。他们的发现可以帮助设计出更能适应环境变化的作物，比如高温或干旱压力。

　　

圣路易斯华盛顿大学的生物学家发现了一种奇怪的复制的起源，这种复制使植物有多种方式来推翻编码到它们DNA中的指令。这项研究可以帮助科学家利用植物现有的系统，使其更能适应环境变化，如高温或干旱压力。

这项由文理学院生物学教授Xuehua Zhong领导的研究发表在11月6日的《科学进展》杂志上。

Xuehua Zhong的新研究重点是DNA甲基化，这是活细胞中一个正常的生物过程，在这个过程中，被称为甲基的小化学基团被添加到DNA中。这种活动控制着基因的开启和关闭，进而影响不同的特征——包括生物体对环境的反应。

这项工作的一部分涉及沉默或关闭在生物体基因组中移动的某些DNA片段。这些所谓的跳跃基因，或转座子，如果不加以控制，会造成损害。整个过程是由酶调控的，但哺乳动物和植物已经开发出不同的酶来添加甲基。

“哺乳动物只有两种主要的酶在一种DNA环境中添加甲基，但植物实际上有多种酶在三种DNA环境中添加甲基，”Xuehua Zhong说，他是华盛顿大学院长杰出教授学者和植物与微生物生物科学项目主任。“这是我们研究的重点。问题是，为什么植物需要额外的甲基化酶？”

展望未来，钟的研究可以通过提高作物的抗逆性为农业创新铺平道路。Xuehua Zhong说：“某些基因或基因组合会导致某些特征或特征。”“如果我们能准确地找到它们是如何被监管的，那么我们就能找到一种方法来创新我们的作物改良技术。”

进化出不同的功能

这项新研究的重点是在植物中发现的两种酶：CMT3和CMT2。这两种酶都负责将甲基添加到DNA中，但CMT3专门负责DNA中称为CHG序列的部分，而CMT2专门负责称为CHH序列的不同部分。尽管它们的功能不同，但这两种酶都是同一个染色体甲基化酶（CMT）家族的一部分，该家族通过复制事件进化而来，为植物提供额外的遗传信息拷贝。

利用一种叫做拟南芥的常见模式植物，Xuehua Zhong团队研究了这些重复的酶是如何随着时间的推移进化出不同的功能的。他们发现，在进化时间线上的某个地方，CMT2失去了甲基化CHG序列的能力。这是因为它缺少一种叫做精氨酸的重要氨基酸。

“精氨酸很特别，因为它有电荷，”生物学研究生、该研究的第一作者之一Jia Gwee说。“在细胞中，它带正电，因此可以与带负电的DNA形成氢键或其他化学相互作用。”

然而，CMT2具有不同的氨基酸-缬氨酸。Valine是不带电的，所以它不能像CMT3那样识别CHG。这就是我们认为导致这两种酶之间差异的原因，”Gwee说，他是艺术与科学研究生卓越研究院长奖的获得者。

为了证实这种进化变化，实验室使用突变将精氨酸转换回CMT2。正如他们所料，CMT2能够同时进行CHG和CHH甲基化。这表明CMT2最初是CMT3的副本，当DNA变得更复杂时，它是一个帮助减轻负荷的备份系统。“但它不是简单地复制原始功能，而是开发了一些新的功能”。

这项研究也提供了关于CMT2独特结构的见解。这种酶有一个长而灵活的n端，可以控制其自身的蛋白质稳定性。“这是植物为了基因组稳定和对抗环境压力而进化的方式之一。”这一特征可以解释为什么CMT2在世界范围内生长条件如此多样的植物中进化。

这项研究的大部分数据来自1001基因组计划，该计划旨在发现全球拟南芥菌株的全基因组序列变异。

“我们正在超越实验室条件，我们正在使用这个更大的数据集研究植物中所有的野生物种。”她认为，尽管环境压力很大，蓝藻还是进化得很好，部分原因是甲基化过程中发生的多样化，包括那些跳跃的转座子：“一次跳跃可能有助于物种应对恶劣的环境条件。”