番茄作为世界公认的模式植物并具有极高的营养价值，其育种历史可以主要分为驯化和改良两大阶段，而代谢物由于“搭车效应”在群体中展现出丰富的多样性。以往对植物群体代谢多样性的研究主要基于SNP这种遗传标记，但作为重要表观遗传修饰的DNA甲基化，特别是群体DNA甲基化与驯化改良的关系以及对代谢多样性的影响却尚未可知。
2023年03月23日，海南大学三亚南繁研究院/热带作物学院王守创课题组在国际学术期刊Science China Life Sciences(中国科学院1区，TOP)上发表题目为“Population analysis reveals the roles of DNA methylation in tomato domestication and metabolic diversity” 的研究论文。该研究对近百个番茄品种的叶片进行全基因组甲基化测序，产生了约100亿对的双端测序数据，共鉴定了8375个DMR (Different methylation region)，绘制了番茄首个群体级别的表观遗传变异图谱。随后整合变异组、转录组和代谢组等多组学进行分析，得到了超过3万个基因的群体表达矩阵，鉴定了339种代谢物，挖掘了数千个与代谢物显著关联的变异位点。该研究解析了番茄群体代谢多样性与育种过程中DNA甲基化变异的关系，构建了多组学关联网络并完善了番茄多酚等代谢物的合成通路。这项研究不仅为番茄遗传改良和新品种培育提供了重要的源头数据，也为深刻认识植物代谢多样性的分子和遗传基础提供了理论参考。
研究者基于WGBS(Whole Genome Bisulfite Seuqneicng)测序技术分别在驯化和改良过程中鉴定到6801和1574个DMRs，并且它们广泛分布于注释为基因的区域，在这两个过程中Hypo-DMRs都占较大比例。其后通过DMRs的比较分析，发现在番茄育种历史中DMRs的数目、长度和信号水平都是逐步降低的（图1）。这些结果表明在番茄育种历史过程中，群体DNA甲基化在多个维度上发生了巨大变异。
研究者进一步通过非靶向代谢组学的方法在番茄叶片中一共鉴定到339个高质量代谢物，利用mGWAS(metabolite-based Genome-Wide Association Study)和mEWAS(metabolite-based Epigenetic-Wide Association Study)分别鉴定到了971和711个显著关联的大效应位点，绘制了代谢物-单核苷酸多态性-差异甲基化区域的多组学关联网络，并挖掘到多个调控代谢物生物合成的候选基因（图2）。基于这些结果，研究者表明一些候选基因受到遗传和表观遗传变异组合的影响，而另一些则只受到一种类型的变异作用。
研究者基于多组学关联网络在番茄多酚合成通路中一共鉴定到13个候选基因。通过mEWAS发现七号染色体上的UGT71AV3与kaempferol 3-O-glucoside含量显著关联，而在mGWAS中并没有显著关联的位点。利用系统发育树和相关性分析初步鉴定UGT71AV3为kaempferol三号位氧糖基化修饰的候选基因。随后，采用5-Aza处理和体外实验表明，DNA甲基化水平被抑制后UGT71AV3的转录水平提高，从而导致kaempferol 3-O-glucoside的积累量增多，证实了UGT71AV3具有催化kaempferol三号位氧糖基化修饰的功能（图3）。总的来说，这些结果表明DMR可以和SNP共同影响番茄代谢物的生物合成，同时也可以鉴别到SNP无法捕获的候选基因，丰富了对代谢多样性的见解。
海南大学博士研究生郭昊，曹鹏，硕士研究生汪超，赖军和邓渊为该论文的共同第一作者。海南大学三亚南繁研究院/热带作物学院王守创教授为该论文的通讯作者。海南大学杨君副教授，德国马克思-普朗克研究所Fernie教授对本研究给予了重要的指导建议。本研究获得海南省自然科学基金重点研发项目、国家自然科学基金、科技部重点研发项目、中国科协青年人才托举工程、海南省院士创新平台项目，海南大学启动基金的支持。
