生物学家深入研究植物中DNA甲基化的机制，这可能导致开发出更能抵御极端天气或干旱等环境变化的作物。
华盛顿大学圣路易斯分校的研究人员已经确定了一个迷人的复制源，这使植物能够以多种方法忽略DNA指令。这个发现可能使科学家能够利用现有的植物机制来增强改善抵御环境挑战（如热和干旱）特性的特质。
这项研究由生物学教授钟雪华负责，发布于11月6日的《科学进展》期刊上。
钟的最新工作考察了DNA甲基化，这是一种自然生物现象，在细胞中，小化学单位被称为甲基基团附着在DNA上。这个过程调节基因表达，影响生物如何对环境因素作出反应。
这个过程的一个关键功能包括沉默某些在生物体基因组内迁移的DNA部分。这些可移动的遗传元素被称为转座子或跳跃基因，如果管理不善可能会造成伤害。虽然酶负责监督这个过程，但哺乳动物和植物进化出了不同的酶来促进甲基化。
“哺乳动物只有两种主要酶在单一DNA上下文中添加甲基基团，而植物则拥有几种在三种不同DNA上下文中运作的酶，”钟说道，他在华盛顿大学担任院长杰出教授学者，并负责植物和微生物生物科学项目。“这是我们研究的核心。我们要探讨的问题是植物为什么需要这些额外的甲基化酶。”
钟的发现可能会通过增强作物的抗逆性而带来农业的创新进步。“特定基因或它们的组合可以增强某些特性，”钟解释道。“如果我们能准确找到它们如何被调节，我们就可以创新技术手段来改善作物。”
演变不同功能
当前的研究专注于两种特有的植物酶：CMT3和CMT2。两者的任务是向DNA添加甲基基团；然而，CMT3专门针对CHG序列，而CMT2则针对CHH序列。尽管它们的角色不同，但它们属于同一家族的染色质甲基酶（CMT），该家族通过复制事件演变而来，导致植物额外的遗传信息。
通过研究常用植物模型阿拉伯芥（Arabidopsis thaliana），钟和她的团队分析了这些重复酶在演化过程中如何发展出不同的功能。他们发现，在进化过程中，由于缺失一种被称为精氨酸的关键氨基酸，CMT2失去了甲基化CHG序列的能力。
“精氨酸是独特的，因为它具有电荷，”研究的共同第一作者、生物研究生贾桂说。“在细胞环境中，它带有正电荷，使其能够与带负电荷的DNA形成氢键或参与化学反应。”
相比之下，CMT2则包含缬氨酸，这是一种不带电的氨基酸。“缬氨酸无法像CMT3那样识别CHG上下文，这可能解释了两种酶之间的差异，”贾桂指出，他获得了院长艺术与科学研究卓越奖。
为了验证这一进化变化，钟的实验室引入了一种突变，将CMT2中的缬氨酸替换为精氨酸。正如他们所预期的那样，这一改变使得CMT2能够同时进行CHG和CHH的甲基化。这表明CMT2最初是CMT3的一个重复体，作为DNA复杂性增加的备份。“它不是简单地复制原有功能，而是进化出新的角色，”钟澄清道。
该研究还揭示了CMT2独特结构的见解。该酶包含一个长而灵活的N端区域，影响其蛋白质稳定性。“这是植物为确保基因组稳定性并应对环境压力所适应的一种方法，”钟指出。这种特征或许可以解释为什么CMT2在能够承受各种全球条件的植物中进化。
这项研究的大部分数据来自1001基因组项目，该项目旨在发现不同阿拉伯芥（A. thaliana）品种之间的全基因组序列变异。
“我们正在将研究扩展到以受控实验室为中心的环境之外，”钟表示。“我们正在探索使用这一更广泛数据集的所有野生植物种系。”她认为，A. thaliana在环境压力下繁茂生长的部分成功可以归因于甲基化过程中发生的多样化，包括跳跃转座子的活动。“一次跳跃可以使一个物种更好地应对恶劣环境条件。”
