植物群體DNA甲基化研究進(jìn)展

鄒枚伶 夏志強(qiáng) 王文泉

(1中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶生物技術(shù)研究所海南海口571101;2海南大學(xué)海南海口570228;3華中農(nóng)業(yè)大學(xué)湖北武漢430070)

自Waddington在1942年第一次提出表觀遺傳 學(xué)（Epigenetic）的概念，即“基因與環(huán)境互作導(dǎo)致表型的出現(xiàn)”，標(biāo)志著表觀遺傳學(xué)問(wèn)世。Waddington［1］對(duì)表觀遺傳學(xué)現(xiàn)象的描述強(qiáng)調(diào)了其“變異”的特點(diǎn)。以Bird［2］為代表的現(xiàn)代表觀遺傳又進(jìn)一步定義為“不基于DNA序列變異的基因表達(dá)的可遺傳改變”，強(qiáng)調(diào)了“表觀遺傳中的變異大部分可以在世代間穩(wěn)定遺傳”。但二者都是對(duì)現(xiàn)象的描述，缺少合理和深入的分子機(jī)理的闡述解釋。Nei等于1975年提出基于研究群體中基因型頻率及遺傳結(jié)構(gòu)關(guān)系的群體遺傳學(xué)，但當(dāng)時(shí)并未考慮到群體表觀遺傳的影響。后續(xù)對(duì)植物群體表觀遺傳的研究，彌補(bǔ)了群體遺傳學(xué)對(duì)于不符合孟德?tīng)栠z傳定律的表型的重要認(rèn)識(shí)。DNA甲基化（DNA methylation）是DNA化學(xué)修飾的一種形式，也是表觀遺傳學(xué)的重要組成部分，指通過(guò)DNA復(fù)制后，經(jīng)各類DNA甲基轉(zhuǎn)移酶催化，將S-腺苷甲硫氨酸上的甲基共價(jià)結(jié)合到DNA分子的胞嘧啶堿基或腺嘌呤上的過(guò)程，能夠在不改變DNA序列的前提下，改變遺傳表現(xiàn)。植物群體中DNA甲基化（DNA Methylation in Plant Population）的變異是植物表型和基因表達(dá)變異的重要來(lái)源之一。近年來(lái)隨著基因組學(xué)和分子生物學(xué)快速發(fā)展，使得DNA甲基化遺傳和變異的分子機(jī)理得以基本闡明，并使植物群體DNA甲基化成為研究熱點(diǎn)。

1 植物中的DNA甲基化修飾

在植物不同的生物學(xué)過(guò)程中，作為重要的表觀遺傳標(biāo)志物之一，DNA甲基化是表觀遺傳學(xué)的重要組成部分，在維持植物基因組穩(wěn)定、調(diào)控基因表達(dá)、響應(yīng)外界環(huán)境脅迫等方面發(fā)揮重要作用［3-7］。DNA甲基化通常發(fā)生在植物胞嘧啶堿基中，包含CG、CHG和CHH（H代表A，T或C）類型［8-9］。CG類型甲基化水平明顯高于CHG或CHH甲基化類型［10］。Zhang等［7］發(fā)表了第一張植物全基因組甲基化圖譜，發(fā)現(xiàn)超過(guò)三分之一的表達(dá)基因在基因區(qū)含有甲基化，而只有約5%的基因在啟動(dòng)子區(qū)內(nèi)顯示甲基化，并發(fā)現(xiàn)基因區(qū)甲基化的擬南芥基因高度表達(dá)。隨后Inagaki等［11］發(fā)現(xiàn)，基因區(qū)甲基化在轉(zhuǎn)錄區(qū)比在非轉(zhuǎn)錄區(qū)高，然而這種關(guān)聯(lián)的機(jī)制還不明確。

DNA甲基化檢測(cè)目前常用的主要方法有甲基化敏感擴(kuò)增多態(tài)性方法［12］（methylation sensitive amplified polymorphism，MSAP）、高效液相色譜法［13］（high performance liquid chromatography，HPLC）、甲基化DNA免 疫沉淀測(cè)定法［14］（methylated DNA immunoprecipitation-sequencing，MeDIP-seq）、AFSM法［15］（Amplifiedfragment single nucleotide polymorphism and methylation），以亞硫酸氫鹽測(cè)序法［16］（bisulfite sequencing）等。到目前為止，亞硫酸氫鹽測(cè)序法仍是用于檢測(cè)全基因組DNA甲基化的最經(jīng)典和最重要的方法，盡管昂貴的費(fèi)用可能會(huì)限制其樣本的檢測(cè)數(shù)量。而AFSM技術(shù)基于二代測(cè)序利用不同甲基化敏感程度的限制性內(nèi)切酶進(jìn)行雙酶切，降低基因組復(fù)雜度，同時(shí)利用標(biāo)簽技術(shù)，可以用超低成本，同時(shí)對(duì)大規(guī)模無(wú)參考基因組的非模式植物群體樣本進(jìn)行高性價(jià)比的DNA甲基化和SNP分析［17-20］。

植物中建立和維護(hù)甲基化，以及去甲基化的主流研究認(rèn)為，主要分為從頭甲基化和甲基化維護(hù)，以及去甲基化機(jī)制［21］。發(fā)生在以前未甲基化的胞嘧啶的甲基化被稱為從頭甲基化機(jī)制［21］，是由同源甲基轉(zhuǎn)移酶DRM2和DNMT3催化。在全基因組中一旦建立起DNA甲基化模式，就必須穩(wěn)定地維護(hù)，以確保轉(zhuǎn)座子保持在沉默狀態(tài)，并維護(hù)識(shí)別的細(xì)胞類型。目前研究發(fā)現(xiàn)，維護(hù)甲基化主要通過(guò)以下3種途徑：第一種是通過(guò)DNA甲基轉(zhuǎn)移酶MET1（也稱為DMT1）、DNMT1同源甲基化轉(zhuǎn)移酶和MSH1等甲基酶維護(hù)CG甲基化；第二種是通過(guò)植物特有的DNA甲基轉(zhuǎn)移酶色氨酸甲酯酶CMT3維護(hù)CHG甲基化；第三種是通過(guò)包含DNA甲基轉(zhuǎn)移酶DRM1/2和RNAi的RNA介導(dǎo)的DNA甲基化（RdDM）途徑，維護(hù)CHH甲基化［22-23］。

2 植物中建立和維護(hù)甲基化，以及去甲基化機(jī)制

2.1 植物中甲基化建立機(jī)制

CG、CHG和CHH這3種類型的甲基化均可以通過(guò)RdDM途徑發(fā)生從頭DNA甲基化。在植物中RNA介導(dǎo)的DNA甲基化現(xiàn)象［24-25］最早是1994年由Wassenegger等［26］發(fā)現(xiàn)。在植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，雙鏈RNA靶向同源基因組DNA序列導(dǎo)致胞嘧啶甲基化，即RdDM［26］。RdDM通過(guò)一套復(fù)雜的機(jī)制來(lái)沉默重復(fù)序列和轉(zhuǎn)座子［27］。除了RNAi和DRM1/2外，RdDM還需要植物特異性RNA聚合酶Pol II、Pol IV和Pol V，來(lái)調(diào)節(jié)DNA甲基化途徑［25，28-29］。Zemach等［30］發(fā)現(xiàn)，擬南芥RdDM途徑主要介導(dǎo)短的轉(zhuǎn)座子和常染色質(zhì)區(qū)域，以及長(zhǎng)的異染色質(zhì)轉(zhuǎn)座子邊緣的CHH甲基化，而長(zhǎng)染色質(zhì)基因區(qū)CHH甲基化由CMT2甲基轉(zhuǎn)移酶獨(dú)立維護(hù)。

2.2 植物中CG類型甲基化維護(hù)機(jī)制

在植物中，CG甲基化是最豐富的DNA甲基化類型，廣泛分布于基因區(qū)、轉(zhuǎn)座元件和重復(fù)序列中［10，31］，可以通過(guò)DNA復(fù)制過(guò)程中簡(jiǎn)單的復(fù)制機(jī)制維護(hù)［32］。MET1是CG甲基化維護(hù)中重要的DNA甲基轉(zhuǎn)移酶［7，10，31，33］。Bewick等［34］發(fā)現(xiàn)，植物組成型表達(dá)基因的基因區(qū)中有大量CG甲基化位點(diǎn)，在進(jìn)化中丟失了GBM的被子植物中同時(shí)也缺失甲基轉(zhuǎn)移酶CMT3，證明了維護(hù)被子植物基因區(qū)甲基化需要CMT3。Stroud等［25］發(fā)現(xiàn)，met1擬南芥缺陷型突變株在全基因組中無(wú)CG類型甲基化，而vim1/2/3擬南芥缺陷型突變株中全基因組CG類型甲基化也大大缺失，并發(fā)現(xiàn)在ddm1擬南芥缺陷型突變株異染色質(zhì)甲基化大大缺失。植物中ddm1突變體可引起H3K9甲基化缺失［35］，H3K9高度甲基化與植物基因表達(dá)沉默相關(guān)［36］。Virdi等［37］發(fā)現(xiàn)，擬南芥msh1突變株CG甲基化類型發(fā)生超甲基化。

2.3 植物中CHG類型甲基化維護(hù)機(jī)制

CHG甲基化被認(rèn)為通過(guò)由包含組蛋白H3K9me2和DNA甲基化的加強(qiáng)環(huán)維護(hù)［32，36，38-39］。CMT3是擬南芥中主要負(fù)責(zé)維護(hù)CHG甲基化的甲基轉(zhuǎn)移酶，Stroud等［25］研究發(fā)現(xiàn)，CMT3擬南芥缺陷型植株中CHG甲基化水平相比野生型大大減少。其它研究中也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)DNA甲基轉(zhuǎn)移酶CMT3或者負(fù)責(zé)H3K9甲基化的組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶KYP（又稱SUVH4）減少時(shí)，將導(dǎo)致CHG類型甲基化水平顯著降低［40-42］。觀察到的DNA和組蛋白修飾的相互依賴性可以通過(guò)CMT3和KYP的復(fù)合結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)。除了其組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶結(jié)構(gòu)域，KYP具有特異性結(jié)合CHG甲基化的SRA結(jié)構(gòu)域，這表明CHG甲基化可影響KYP。另一方面，CMT3具有結(jié)合甲基化組蛋白H3尾部的結(jié)合位點(diǎn)，這表明KYP的組蛋白甲基化也可影響CMT3［38-39，43］。另外，除KYP外，負(fù)責(zé)H3K9甲基化的組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶SUVH5和SUVH6也是重要的CHG甲基化轉(zhuǎn)移酶，kyp、suvh5/6缺陷株中CHG甲基化類型相比野生型也是大大減少［25，44-45］。在許多情況下，這些修飾之間的聯(lián)系似乎涉及組蛋白和DNA甲基轉(zhuǎn)移酶之間的蛋白互作［46］。

2.4 植物中CHH類型甲基化維護(hù)機(jī)制

CHH甲基化是通過(guò)CMT2和RdDM從頭甲基化來(lái)形成和維護(hù)［5，47］。CMT2對(duì)于植物維護(hù)CHH甲基化，特別是長(zhǎng)異染色質(zhì)元件的CHH甲基化，起了非常重要的作用［30］。然而在一些位點(diǎn)，CHH甲基化由CMT3、DRM1/2控制［25，48］。另外還發(fā)現(xiàn)，KYP SUVH5/6、通過(guò)另外的甲基化途徑維護(hù)部分CHH甲基化［25］。

CG甲基化與非CG甲基化也是相互依存關(guān)系。Stroud等［25］還發(fā)現(xiàn)CG甲基化需要用于維護(hù)CHG甲基化，而同時(shí)CG甲基化取決于特定位點(diǎn)的非CG甲基化，在KYP suvh5/6，cmt3和drm1/2擬南芥缺陷突變株中，CG甲基化的缺失與非CG甲基化的缺失有關(guān)。

2.5 植物DNA去甲基化機(jī)制

盡管大多數(shù)的植物DNA甲基化是一種較為穩(wěn)定的表觀遺傳標(biāo)記，但植物仍可以主動(dòng)或者被動(dòng)地發(fā)生去甲基化［49-50］。Ikeda等［51］和Zhu［52］的研究發(fā)現(xiàn)，植物可能通過(guò)DNA糖基化酶，與堿基切除修復(fù)途徑BER結(jié)合，產(chǎn)生去甲基化。在擬南芥中發(fā)現(xiàn)了DEMETER（DME）、沉默代謝物ROS1、DEMETERLIKE 2（DML2）和DML3［53-56］等DNA糖基化酶，糖基化酶的DME/ROS1家族與HhH-GPD具有同源性，是雙功能酶，其可以打破N-糖苷鍵，去除堿基和DNA主鏈［57-59］。擬南芥的糖基化酶識(shí)別并從dsDNA寡核苷酸中去除甲基化的胞嘧啶［55-56，60-62］。通常參與BER的DNA糖基化酶識(shí)別和去除誘變底物，包括氧化和烷基化堿基，以及T/G錯(cuò)配，其通常由甲基化胞嘧啶脫氨產(chǎn)生［57］。Hsieh等［50］在植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中觀察到了甲基化水平減少的現(xiàn)象。Niederhuth等［49］在克隆繁殖的植物中也發(fā)現(xiàn)了去甲基化現(xiàn)象。

3 植物群體中的DNA甲基化

3.1 植物群體DNA甲基化與植物進(jìn)化

植物群體DNA甲基化在進(jìn)化上很重要，也是重要進(jìn)化過(guò)程中的間接結(jié)果，通常與基因沉默有關(guān)。Niederhuth等［49］對(duì)34種不同被子植物甲基化進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，廣泛的DNA甲基化模式，在進(jìn)化方面反映了植物的差異性，如十字花科植物中CHG類型甲基化水平低、基因區(qū)CG甲基化類型少或者缺失，而禾本科中異染色質(zhì)CHH類型甲基化少或缺失，且基因區(qū)富集CHH類型甲基化。Takuno等［63］發(fā)現(xiàn)，蕨類植物和被子植物CG甲基化相對(duì)水平具有一致性，但是CHG甲基化與基因組大小相關(guān)。基因區(qū)甲基化（GBM）在各種植物直系同源物種中具有高度保守性［63-65］。

植物DNA甲基化的遺傳變異是自然變異的潛在來(lái)源，影響植物遺傳多樣性，對(duì)植物進(jìn)化及對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境的適應(yīng)性產(chǎn)生重要貢獻(xiàn)［66］。Graaf等［67］由擬南芥積累的突變?cè)u(píng)估每一代每個(gè)單倍體中每個(gè)CpG位點(diǎn)的突變率發(fā)現(xiàn)，擬南芥中正向突變率（即甲基化增加速率）約為2.56×10-4，而反向突變率（即甲基化損失速率）約為6.30×10-4，這些甲基化突變速率比Ossowski等［68］研究發(fā)現(xiàn)的基因突變率（約7×10-9）高約5個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，提出在進(jìn)化過(guò)程中表觀遺傳突變與DNA序列單倍型分離的一種進(jìn)化機(jī)制，分離的程度取決于精確的表觀遺傳率和潛在的表觀遺傳選擇效應(yīng)［67］。擬南芥DNA甲基化的改變可產(chǎn)生可遺傳的表型多樣性，表明復(fù)雜性狀表觀遺傳的誘導(dǎo)和自然突變的產(chǎn)生可能是進(jìn)化中適應(yīng)不同生態(tài)環(huán)境的一種途徑［67，69-70］。

雖然通過(guò)自然突變可以產(chǎn)生DNA甲基化的改變［71-72］，但遺傳和環(huán)境因素對(duì)于DNA甲基化的改變更為重要。DNA甲基化變化的遺傳基礎(chǔ)包括TE插入和缺失、染色體重排、甲基化相關(guān)因子突變等［73］，而重要的環(huán)境條件包括溫度及其它脅迫條件等［4-5，74-75］。Marí-Ordó?ez等［76］發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)座元件活動(dòng)導(dǎo)致基因多樣化，從而提供適應(yīng)進(jìn)化的潛在性狀來(lái)源，因此也在植物進(jìn)化中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。常見(jiàn)由TE誘導(dǎo)而導(dǎo)致基因功能缺失，即形成無(wú)效突變，從而改變表型。TE誘導(dǎo)無(wú)效突變已在植物馴化過(guò)程中被多次選擇。Kawase等［77］發(fā)現(xiàn)，低直鏈淀粉率（糯性）地方品種中由于TE插入，淀粉合酶基因GBSS具有弱或無(wú)效等位基因。另外白色和粉色的葡萄品種［78-79］、無(wú)核蘋果［80］，以及進(jìn)化中多種花色的形成［81-82］也是由于TE插入形成無(wú)效突變引起的。TE插入后還能增強(qiáng)基因表達(dá)或阻礙基因表達(dá)［83］。在大量玉米、水稻、擬南芥等的研究中發(fā)現(xiàn)，TEs可以介導(dǎo)染色體結(jié)構(gòu)的大規(guī)模變化，從而使發(fā)生缺失、倒位、易位或者其它染色體重排［83-87］。植物通過(guò)DNA甲基化還表現(xiàn)出對(duì)于環(huán)境的局部適應(yīng)性。Shen等［88］發(fā)現(xiàn)，依賴于CMT2的CHH甲基化可能影響擬南芥的耐熱性。Dubin等［5］發(fā)現(xiàn)CHH甲基化隨溫度增加而增加，而在基因轉(zhuǎn)錄區(qū)CG甲基化與擬南芥起源緯度相關(guān)。但有另一種觀點(diǎn)認(rèn)為，從長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)化角度來(lái)看，可遺傳的表觀遺傳變異中環(huán)境誘導(dǎo)對(duì)于甲基化變化僅是次要因素［6］。

3.2 植物群體DNA甲基化的遺傳多樣性

植物種內(nèi)遺傳多樣性可能是群體和生態(tài)系統(tǒng)功能的重要組成部分，大部分研究表明，種內(nèi)多樣性效應(yīng)歸因于DNA序列的潛在變化，然而種內(nèi)表型差異及潛在的功能多樣性同樣也可通過(guò)表觀遺傳變異產(chǎn)生。由于植物通常會(huì)在同一地理位置生活很長(zhǎng)時(shí)間，因此植物有可能更傾向于利用DNA甲基化，產(chǎn)生多樣性的表觀遺傳，來(lái)快速地適應(yīng)不斷變化的環(huán)境。

Latzel等［89］在擬南芥群體中發(fā)現(xiàn)，表觀遺傳多樣性增加后其群體產(chǎn)量增加了40%，且表觀遺傳多樣性增加的群體抗病能力更強(qiáng)。Kawakatsu等［8］通過(guò)對(duì)來(lái)自全球的1 028份擬南芥自然種群甲基化分析發(fā)現(xiàn)，不同種質(zhì)中基因區(qū)甲基化基因數(shù)，具有很大的差異性，并且與這些基因的CG甲基化水平相關(guān)。甲基化與種質(zhì)的地理起源以及氣候有非常明顯的相關(guān)性。從地理起源來(lái)看，來(lái)源于瑞典的擬南芥種質(zhì)表現(xiàn)出高甲基化，而來(lái)源于西班牙的擬南芥種質(zhì)表現(xiàn)出低甲基化。而從當(dāng)?shù)貧夂驕囟葋?lái)看，CHH甲基化水平與當(dāng)?shù)貧夂驕囟瘸收嚓P(guān)。Schmitz等［27］在擬南芥群體中觀察到誘導(dǎo)和自發(fā)的表觀遺傳變異，植物表觀遺傳多樣性的增加，有利于增加其抗性、產(chǎn)量和保持其物種穩(wěn)定性。

3.3 植物群體DNA甲基化的遺傳穩(wěn)定性與變異

DNA甲基化可以通過(guò)有絲分裂和減數(shù)分裂穩(wěn)定遺傳［89］。目前對(duì)植物全基因組群體DNA甲基化遺傳學(xué)研究還很少，而大都集中在模式植物擬南芥［5-6，90］，玉米［91-92］和大豆［93］中。雖然不同植物物種間的總甲基化含量差異很大［94］，很可能是由于基因組大小和組織的差異［94-95］，特異性甲基化變異的模式似乎都比較保守［5-6，47，90-91，93，96-97］。富含基因的獨(dú)立區(qū)域往往是最可變的，而在轉(zhuǎn)座元件富集的異染色區(qū)域中的變化在很大程度上被抑制［27，67，90-91］。異染色質(zhì)區(qū)域缺乏變異與TE序列通過(guò)RNA介導(dǎo)機(jī)制的穩(wěn)定沉默一致［22］。Schmitz等［90］利用全基因組亞硫酸氫鹽測(cè)序技術(shù)對(duì)來(lái)自全球的155份擬南芥進(jìn)行DMR識(shí)別，并將該數(shù)據(jù)與其全基因組DNA序列數(shù)據(jù)整合，在植物中第一次進(jìn)行了群體全基因組DNA甲基化研究。在玉米和大豆群體中也發(fā)現(xiàn)DMR受到強(qiáng)烈的遺傳控制［91，93］。有研究表明，許多在植物種群中檢測(cè)到的關(guān)聯(lián)是因?yàn)镾NP等位基因標(biāo)記附近的結(jié)構(gòu)突變，例如TE插入，這些突變會(huì)影響DNA甲基化［98-99］。

Cortijo等［100］研究發(fā)現(xiàn)，在同基因型擬南芥群體中實(shí)驗(yàn)誘導(dǎo)的DMR可以顯著穩(wěn)定地遺傳。實(shí)驗(yàn)誘導(dǎo)的DMR在該物種的自然種群中也是可變的，表明這些DMR在野生植株中也會(huì)發(fā)生表觀突變，并且可能也潛在地受到自然的選擇。為更進(jìn)一步了解進(jìn)化機(jī)制，近年來(lái)對(duì)植物群體表觀遺傳變異進(jìn)行了大量的研究［69，101-109］。

4 研究趨勢(shì)及展望

隨著DNA甲基化測(cè)序技術(shù)的發(fā)展和測(cè)序成本的下降，以及相關(guān)生物信息學(xué)方法的開(kāi)發(fā)與優(yōu)化，使得可以對(duì)更大量的樣品、更多種類的植物組織進(jìn)行表觀遺傳學(xué)研究，表觀遺傳學(xué)將逐步由研究植物個(gè)體DNA甲基化圖譜發(fā)展為研究植物群體DNA甲基化。

DNA甲基化可以影響基因表達(dá)，并導(dǎo)致明顯的表型差異，以及一些適應(yīng)環(huán)境變化的性狀。不像轉(zhuǎn)座子甲基化，在基因區(qū)的CG甲基化并不引起沉默，因?yàn)檫@些基因更傾向于在許多組織中被適度表達(dá)［2，33］。Sun等［110］發(fā)現(xiàn)，小麥雜種中甲基化程度降低與基因表達(dá)增強(qiáng)有關(guān)。Takuno等［63］研究植物基因區(qū)甲基化發(fā)現(xiàn)，針葉樹(shù)表達(dá)基因中有較高水平的CG和CHG甲基化水平。盡管如此，在met1突變體中，一些基因區(qū)甲基化的基因表達(dá)上調(diào)［33］，這表明基因區(qū)甲基化與轉(zhuǎn)錄水平間的相互作用。推測(cè)可能基因區(qū)甲基化抑制了某些啟動(dòng)子產(chǎn)生反義轉(zhuǎn)錄物［33，111］。然而鮮有發(fā)現(xiàn)met1突變體中反義轉(zhuǎn)錄增加，并且與基因區(qū)甲基化的基因并不相關(guān)［2］。植物遺傳群體雜交種中親本甲基化模式的變異可能有助于新的基因表達(dá)，進(jìn)而出現(xiàn)雜種優(yōu)勢(shì)；而植物自然群體出現(xiàn)的甲基化變異通過(guò)影響基因表達(dá)水平，從而產(chǎn)生表型變異，影響原植物的進(jìn)化進(jìn)程。但目前植物群體甲基化、基因表達(dá)與表型之間相關(guān)研究還較少。近年來(lái)，在植物群體中結(jié)合DNA甲基化和基因差異表達(dá)研究，為研究植物群體DNA甲基化機(jī)制提供了新的思路。Feng等［112］通過(guò)在水稻中全基因組DNA甲基化測(cè)序，結(jié)合轉(zhuǎn)錄組測(cè)序分析等發(fā)現(xiàn)，抗逆、金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)和轉(zhuǎn)錄因子等基因發(fā)生甲基化變異可引起其基因表達(dá)發(fā)生變化，經(jīng)5-氮胞苷處理后可通過(guò)降低DNA甲基化水平從而促進(jìn)水稻植株的生長(zhǎng)和鎘的積累，從而解析了水稻通過(guò)DNA甲基化變異對(duì)鎘反應(yīng)的分子機(jī)制。Zou等［17］利用基于二代測(cè)序的AFSM技術(shù)，高通量地檢測(cè)了186份木薯雜交群體的半甲基化位點(diǎn)、全甲基化位點(diǎn)及SNP位點(diǎn)，解析了兩親本和子代甲基化遺傳特征，構(gòu)建了木薯遺傳連鎖圖譜、DNA甲基化圖譜等，并結(jié)合多年多點(diǎn)表型數(shù)據(jù)進(jìn)行了耐寒和產(chǎn)量品質(zhì)相關(guān)QTL和表觀QTL定位，同時(shí)結(jié)合全基因組轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，解析了差異甲基化區(qū)域差異表達(dá)基因的功能及其相關(guān)性。因此，在植物群體中結(jié)合轉(zhuǎn)錄組分析研究植物群體的DNA甲基化變異是可行的。

隨著基因編輯技術(shù)的發(fā)展，使得結(jié)合基因編輯技術(shù)探討去甲基化也成為了以后研究植物群體DNA甲基化機(jī)制的新的有效途徑之一。Ji［113］和Gallego-Bartolome［114］分別開(kāi)發(fā)了擬南芥基因組中隨機(jī)、高效、快速去DNA甲基化和高特異性、低脫靶效應(yīng)的特定位點(diǎn)靶向去除DNA甲基化的兩大類去甲基化新工具，可用于揭示植物群體甲基化變異機(jī)理。

根據(jù)經(jīng)典遺傳學(xué)理論，Ainouche等［115］認(rèn)為，遠(yuǎn)緣雜種和異源多倍體在進(jìn)化上的潛力要低于二倍體親本，但后來(lái)通過(guò)越來(lái)越多的研究發(fā)現(xiàn)，異源多倍體具有普遍性，甚至典型二倍體小基因組植物擬南芥和水稻等在其進(jìn)化過(guò)程中也經(jīng)歷了多倍化事件［116］。高等植物基因組進(jìn)化和新物種形成與有性雜交和有性漸滲雜交有關(guān)［117］，雜交在高等植物新種形成和進(jìn)化上具有重要意義。遠(yuǎn)緣雜交后產(chǎn)生的雜種可以通過(guò)完整基因組加倍形成異源多倍體，或者通過(guò)回交使主效基因和主效QTL通過(guò)直接或間接方式（如基因互作等）產(chǎn)生新的基因組變異，甚至是產(chǎn)生表型變異，進(jìn)而改變自然選擇條件下物種進(jìn)化的進(jìn)程。在一些極端情況下，遠(yuǎn)緣雜種還可以在同倍體水平適應(yīng)不同生境方面具有明顯雜種優(yōu)勢(shì)，且與親本生殖隔離的新種［115］。植物在遠(yuǎn)緣雜交和異源多倍體進(jìn)化過(guò)程中，編碼基因和轉(zhuǎn)座子等DNA甲基化水平及模式等的改變，使得F1雜種或異源多倍體中同一基因組中同源基因和不同基因組中部分同源基因之間的相互作用，從而誘導(dǎo)產(chǎn)生出基因表達(dá)差異，進(jìn)而出現(xiàn)大量廣泛的“不符合孟德?tīng)栠z傳規(guī)律的表型變異”的一些進(jìn)化優(yōu)勢(shì)，但具體機(jī)理還不清楚。隨著甲基化測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，以后可以在植物群體全基因組甲基化水平進(jìn)一步深入解析遠(yuǎn)緣雜種和多倍體進(jìn)化過(guò)程中DNA甲基化變異及其遺傳調(diào)控機(jī)制。這將有利于進(jìn)一步闡明群體表觀遺傳變異的遺傳來(lái)源、植物表觀遺傳變異的因果，解析植物中通過(guò)雜交導(dǎo)致的雜種優(yōu)勢(shì)，甚至新物種形成的機(jī)制，種內(nèi)和種間多樣性，對(duì)于生長(zhǎng)環(huán)境的適應(yīng)性、作物馴化的分子基礎(chǔ)。同時(shí)，雜種優(yōu)勢(shì)高效利用新途徑對(duì)于探索表觀遺傳和復(fù)雜表型間的關(guān)系具有重要意義。另外，受到環(huán)境影響的甲基化如何由短期效應(yīng)變?yōu)殚L(zhǎng)期效應(yīng)也是很值得研究。