易基因：武汉大学王建波教授团队多组学揭示植物逆境胁迫下DNA甲基化+组蛋白修饰+转座元件活性协同调控基因表达动态网络｜PPB
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涝渍胁迫(Waterlogging Stress)会显著影响甘蓝型油菜的早期发育和产量，但其表观遗传调控机制尚不清楚。2026年8月18日，武汉大学生命科学学院王建波教授团队在《Plant Physiology and Biochemistry》期刊发表题为“Waterlogging stress reshapes epigenetic regulation of gene expression in Brassica napus”的科研成果。该研究以甘蓝型油菜(Brassica napus)为材料，通过整合转录组（RNA-seq）、全基因组甲基化测序（WGBS）和染色质免疫共沉淀测序（ChIP-seq）的多组学策略，系统解析了涝渍胁迫（Waterlogging stress）及其恢复过程中，植物在基因表达、DNA甲基化、组蛋白修饰以及转座元件（Transposable elements,TE）活性协同作用的动态调控网络。
标题：Waterlogging stress reshapes epigenetic regulation of gene expression in Brassica napus（涝渍胁迫重塑甘蓝型油菜基因表达的表观遗传调控）
发表时间：2026年8月18日
发表期刊：Plant Physiology and Biochemistry
影响因子：IF6.2/Q1
作者单位：武汉大学
DOI:10.1016/j.plaphy.2026.111666
研究发现，涝渍胁迫会全局性抑制基因表达，并显著增强两个亚基因组（An与Cn）间同源基因的表达差异。同时转座元件被激活，其活性变化与涝渍胁迫下表观遗传的动态变化（DNA甲基化、组蛋白修饰）及邻近基因表达的改变相关。本研究为理解多倍体作物涝渍胁迫响应的表观遗传机制提供了新的见解，并提示转座元件在逆境胁迫响应中的调控潜力。
研究亮点
- 在涝渍胁迫下，大量基因表现出差异表达，且与DNA甲基化和组蛋白修饰变化有关。
- 下调基因占主导，而一些应激响应基因表达增加。
- 涝渍胁迫加剧了亚基因组表达的不对称性。
- 转座元件（TE）在涝渍胁迫下瞬时激活，参与基因调控。
图形摘要
研究方法
（1）植物材料：甘蓝型油菜品种ZS11，设置四个处理组：未处理组（UT）、正常生长12小时组（N）、涝渍处理12小时组（WL）和涝渍处理恢复12小时组（R）。
图1：样本处理
（2）生理生化检测：各组幼苗的根长及抗氧化酶（SOD、POD、CAT）活性和可溶性糖含量。
（3）多组学测序：（使用同一批次处理样本，保证数据可整合性）
- RNA-seq：分析基因和转座元件的差异表达。
- WGBS：单碱基分辨率检测全基因组DNA甲基化模式。
- ChIP-seq：对H3K4me3（激活标记）和H3K27me3（抑制标记）两种组蛋白修饰进行染色质免疫共沉淀测序分析。
结果图形
（1）涝渍胁迫引发生长抑制、转录沉默和转座元件激活
生理生化和形态学表明，涝渍胁迫显著抑制甘蓝型油菜幼苗的胚根伸长，并导致根毛形成和子叶发育受阻。转录组共鉴定出16,590个差异表达基因，其中下调基因数量显著多于上调基因，表明涝渍胁迫以转录抑制作用为主。而转座元件在涝渍胁迫下被强烈激活，尤其是Gypsy逆转录TE家族显著富集。激活的TE在恢复期大部分瞬时抑制，表明TE激活是一个动态可逆的过程。
图2：甘蓝型油菜对涝渍胁迫及恢复的转录组和转座元件响应
（2）涝渍胁迫重塑甘蓝型油菜的DNA甲基化图谱
全基因组甲基化分析显示，TE区域甲基化水平显著高于基因区域，且基因启动子区甲基化水平高于基因体。涝渍胁迫下，启动子和TE区域甲基化水平升高，尤以CHH序列甲基化变化最为显著，其DMR数量最多，且主要发生于低甲基化。DMR主要位于基因间区，而基因体则局部去甲基化，不同TE家族表现出不同的甲基化动态。
图3：不同处理下甘蓝型油菜的DNA甲基化模式及其在基因和TE中的分布
- CG、CHG、CHH三种甲基化序列的基因启动子、基因体及TE区甲基化水平箱线图。
- 基因体和TE及其±2kb侧翼区域的甲基化水平分布谱。
- 不同甲基化序列高甲基化(hypermethylated)和低甲基化(hypomethylated)DMR数量。
- TE分别与高甲基化DMR（hyper-DMRs）和低甲基化DMR（hypo-DMRs）的重叠情况。
- 不同处理下各TE家族在CG、CHG和CHH序列中的甲基化水平箱线图。
（3）涝渍胁迫重塑拮抗性组蛋白状态
ChIP-seq分析揭示了H3K4me3（激活标记）和H3K27me3（抑制标记）两种组蛋白修饰在涝渍胁迫下的动态变化。基因组上H3K4me3的峰数量约为H3K27me3的两倍。H3K4me3在启动子-转录起始位点（TSS）区域富集，而H3K27me3富集于启动子-TSS和内含子区域。涝渍胁迫导致H3K4me3修饰水平在TE区域显著降低。涝渍胁迫中断了正常萌发过程中两种组蛋白修饰逐渐增加的趋势，表现为胁迫植株的修饰水平低于正常发育植株。
图4：甘蓝型油菜不同处理下H3K4me3和H3K27me3组蛋白修饰动态变化
- 四种处理条件下H3K4me3和H3K27me3峰的数量。
- 不同处理下H3K4me3和H3K27me3在不同基因特征区域的富集水平箱线图。
- 不同处理下组蛋白修饰在各TE家族上的富集水平箱线图。
- 处理间差异组蛋白修饰峰的数量分组柱状图。
- 不同处理间与差异H3K4me3和H3K27me3标记相关的基因重叠韦恩图。
- 四种处理下每种组蛋白修饰的上下调差异峰比例饼图。
（4）DNA甲基化和组蛋白修饰协同调控涝渍胁迫下的基因表达
相关性分析表明，DNA甲基化与基因表达呈负相关，在基因体区域的关联强度大于启动子区域。胁迫条件下与差异甲基化关联的表达变化基因数量多于正常生长转变期。组蛋白修饰方面，H3K4me3标记的基因表达水平显著更高，且表达水平与H3K4me3修饰程度正相关；而H3K27me3与基因表达负相关，在沉默基因中富集水平最高。涝渍胁迫下，H3K4me3在高表达基因中的沉积减少。联合分析发现，同时携带DNA甲基化和H3K27me3的基因表达水平最低；而单独携带H3K4me3的基因即使存在抑制性标记仍维持较高表达，表明这些表观遗传标记之间存在复杂的协同与拮抗关系。
图5：表观遗传修饰与基因表达变化之间的相关性。
- DNA甲基化与表达变化呈一致趋势的基因数量。
- 在基因不同区域携带H3K4me3或H3K27me3标记的基因表达水平箱线图。
- 表达基因中H3K4me3和H3K27me3修饰的富集水平箱线图。
- 表达变化与组蛋白修饰方向一致的差异组蛋白修饰基因（DHM genes）数量。
图6：与不同类型表观遗传修饰（DNA甲基化/H3K4me3/H3K27me3）相关的基因表达水平
（5）TE家族及其基因组插入位点差异性调控涝渍胁迫下的基因表达
涝渍胁迫下，激活TE的DNA甲基化和H3K27me3水平显著降低，H3K4me3水平升高，且激活TE的表达变化与邻近基因的表达变化呈显著正相关，表明TE激活与邻近基因表达存在协同关联。这些基因富集于细胞内转运、细胞定位建立和根形态建成等过程。
图7：TE插入对基因表达的影响。
- 根据插入位置对含有TE插入的基因进行分类：基因体插入、侧翼区插入、基因体&侧翼区均插入。
- 不同处理下各类基因表现出差异表达的比例。
- 不同处理比较中，不同插入类型基因的表达变化倍数。
- 不同TE家族的插入在基因体、侧翼区域或两者均有区域的比例分布。
- 在不同比较中，被不同TE家族插入基因的表达变化倍数。
- 涝渍胁迫激活的TE与其相应靶基因表达变化之间的相关性。
（6）涝渍胁迫对甘蓝型油菜同源表达不对称性的影响
研究鉴定了甘蓝型油菜An和Cn亚基因组间的24,295对同源基因对。An亚基因组的整体表达水平显著高于Cn亚基因组；但在成对比较中，表现出偏向性表达的同源基因对偏向Cn亚基因组。
甲基化分析表明，Cn亚基因组在各类型DMRs中的富集程度均显著高于An亚基因组，组蛋白修饰差异峰也更多。无论偏向方向如何，An亚基因组的启动子甲基化水平均显著低于Cn亚基因组。在组蛋白修饰方面，偏向表达的基因普遍具有较高的H3K4me3和较低的H3K27me3水平。表明涝渍胁迫加剧了亚基因组间的表达不对称性，且表观遗传差异可能与此相关。
图8：An和Cn亚基因组的基因组和表观基因组特征
结论和启示
本研究通过RNA-seq、WGBS、ChIP-seq多组学整合分析，揭示了甘蓝型油菜应对涝渍胁迫的复杂表观遗传调控网络：涝渍胁迫导致广泛的转录重编程、亚基因组表达不对称性加剧和TE动态激活。这些变化与DNA甲基化和组蛋白修饰的协调变化密切相关。
该研究为抗逆作物育种提供了重要的参考，所鉴定的关键差异表达基因和表观遗传标记可作为开发耐涝性分子指标的宝贵资源。未来，育种家可以基于亚基因组在涝渍胁迫下的差异表现来选择目标基因，或利用TE顺式调控潜力来增强胁迫条件下的基因表达，从而推动精准育种，培育适应性更强的下一代多倍体作物。
关于DNA甲基化整体研究方案
DNA甲基化是一种表观遗传修饰，指DNA分子在DNA甲基转移酶的作用下将甲基选择性地添加到特定碱基上的过程。主要发生在胞嘧啶的CpG位点，也可以在非CpG位点和CpG岛中发生。DNA甲基化参与调控基因表达、X染色体失活、基因印记、胚胎发育、细胞分化、肿瘤发生以及维持基因组稳定性。
关于染色质修饰与结构功能组学研究方案
染色质修饰与结构功能研究是表观遗传学的核心领域，涵盖蛋白 -DNA 互作、染色质开放性及核酸高级结构等多个层面，共同调控基因表达与细胞功能。其中，蛋白 -DNA 互作揭示转录因子等蛋白与基因组的结合模式；染色质开放性反映全基因组范围内染色质的可及程度；R-loop 作为一种由 DNA:RNA 杂交体与置换单链 DNA 构成的三链核酸结构，亦广泛参与转录调控、表观遗传修饰及 DNA 修复等过程。
参考文献：
Li J, Kong F, Wang J. Waterlogging stress reshapes epigenetic regulation of gene expression in Brassica napus. Plant Physiol Biochem. 2026 Aug 18;238:111666. doi: 10.1016/j.plaphy.2026.111666.
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