干旱是作物减产的主要非生物胁迫之一，苹果作为重要经济作物，其生长发育、果实品质和产量易受干旱影响，解析苹果应对干旱的分子机制是改良其抗旱性的基础。表观调控(包括DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码 RNA等)在植物生长发育及胁迫响应中发挥关键作用，已有研究表明表观修饰参与苹果干旱响应，但缺乏全面的表观基因组图谱；同时，部分表观调控相关基因（如 ABI5、OCP3）在苹果中的具体作用及表观调控机制尚不明确。

2025年07月07日，西北农林科技大学园艺学院徐记迪团队于期刊Plant Biotechnology Journal（IF:10.5）上发表了题为“An integrative multi-omics analysis of histone modifications and DNA methylation reveals the epigenomic landscape in apple under drought stress”的研究成果，重点揭示了苹果干旱响应的表观调控机制。

实验设计及技术路线

样本设计：3月龄的湖北海棠（Malus hupehensis）幼苗，干旱处理0天（A0d）、3天（A3d）、6天（A6d）和9天（A9d）；

组学技术：RNA-seq、ssRNA-seq、WGBS、ChIP-seq。

主要结论

1、不同干旱处理下苹果基因表达的动态变化

苹果干旱响应的基因表达动态显示，与对照（A0d）相比，A3d、A6d、A9d 分别鉴定出 3041、3818、3816 个差异表达基因（DEGs），A6d 差异基因数量最多，表明 A6d 是干旱响应关键节点。56.5% 的 DEGs 表达上调，且多数基因在 A6d 表达达峰值，A9d 时表达下调；69 个基因在干旱全程持续差异表达（如 TIFY10A-like、XTH33），可能是干旱响应核心基因。DEGs 主要富集于缺水胁迫、激素响应（ABA、茉莉酸）等通路，且 A6d 时与缺水胁迫相关的通路富集最显著。同时，lncRNA在基因表达调控中发挥作用，通过顺式或反式调控靶基因，且可作为内源性靶标降低 miRNA 对 mRNA 的靶向效应；在 A3d vs A0d 等比较组中，lncRNA 与 WRKY 家族转录因子等胁迫相关基因形成调控网络，如 TCONS_00019097 等 lncRNA 可能参与干旱响应。此外，57.8% 的 DEGs 可能受 lncRNA 和 miRNA 共同调控，这些非编码 RNA 通过拮抗或协同作用，参与干旱相关基因的表达调控，进一步丰富了苹果干旱响应的基因表达调控网络。

图 转录组差异分析、聚类和功能富集

2、苹果响应干旱胁迫的DNA甲基化景观

该团队研究了DNA 甲基化的动态变化，发现干旱处理后，mCG、mCHG、mCHH 三种甲基化水平均显著升高，且基因区域附近甲基化在 A3d 升高、A6d 降低、A9d 回升，表明甲基化在干旱初期（A3d）即启动响应；A3d 时 DMRs 数量最多，A6d、A9d 逐渐减少，提示甲基化效应随干旱持续减弱；DMR 相关基因富集于缺水胁迫、代谢过程、激素响应等通路，且启动子区域甲基化变化与基因表达呈负相关；已有的研究表明，24-nt siRNA 是 RdDM 通路中的关键起始信号和特异性决定因子，本研究中，mCHH在基因上游2 kb区域富集增加，但24-nt siRNA富集无显著变化，进一步研究发现mCHH变化可能与去甲基化通路相关。

图 干旱条件下DNA 甲基化特征、24nt siRNA分布及相关甲基转移酶变化

3、苹果响应干旱胁迫的组蛋白修饰变异图谱

该团队还研究了组蛋白修饰的动态变化，在检测的 6 种组蛋白修饰中，所有修饰主要分布于基因区及启动子区。参与干旱响应过程的DEGs包含了涉及组蛋白修饰的基因，分析显示，大多数组蛋白相关基因在A6d具有更高的表达水平。作者又鉴定了与差异组蛋白修饰区域（DHMRs）相关的2493 个基因，它们受到 5 种组蛋白修饰的共同调控，对这些基因进行了GO富集分析，显示主要富集到缺水胁迫、ABA 响应等通路。值得注意的是，在这2493个基因中，只有28.8%是DEGs。即使去除这些DEGs，剩余的基因在缺水胁迫通路上仍显著富集。表明组蛋白修饰调控响应干旱可能不仅通过改变转录本丰度来实现，还可能通过干旱响应过程中的其他途径发挥作用。

图 组蛋白修饰特征和差异

4、组蛋白修饰和 DNA 甲基化变化对基因表达的影响

作者进一步研究了DNA 甲基化与组蛋白修饰的协同调控，在全基因组水平上，DNA 甲基化分布与组蛋白修饰（尤其是激活型）呈负相关，但在特定基因（如干旱响应基因）中存在协同作用；36.6%的DEGs受到DNA甲基化和六种组蛋白修饰的调控，在干旱胁迫期间，受组蛋白修饰调控的DEGs比例在A6d vs A0d时最高，达到40.9%，受DNA甲基化调控的基因高达39.1%。在受DNA甲基化和组蛋白修饰共同调控的基因中，H3K4me3和mCHG更倾向于共同调控基因。

图 干旱处理下组蛋白修饰、DNA甲基化及其调控功能关系

5、受组蛋白修饰调控的MdABI5正向调控苹果耐旱性

已有研究证实，ABI5 可通过靶向 PYLs 调控 ABA 响应途径，在植物耐旱性中扮演重要角色。不过，苹果中 MdABI5 的抗旱作用及其表观遗传调控机制此前尚未得到研究。该团队研究发现，干旱胁迫会正向调控 MdABI5 的表达，这一现象与该基因上游 H3K14ac 富集水平升高、H3K27me3 富集水平降低相关。为验证 ChIP-seq 的检测结果，研究人员对 ABI5 上游的组蛋白修饰开展 ChIP-qPCR 验证，所得结果与 ChIP-seq 数据相符。为探究 MdABI5 在干旱胁迫下对整株植物的作用，研究在苹果中构建了 MdABI5 过表达（MdABI5-OE）转基因株系，并对该株系及野生型（GL-3）进行干旱处理。通过观察表型及测定生理生化指标发现，与野生型植株相比，MdABI5-OE 株系受干旱胁迫的影响更轻。这表明，MdABI5 的上调表达能减少叶片失水，从而减轻干旱造成的损伤。为全面明确 MdABI5 在干旱处理中的功能，研究进一步构建了 MdABI5 RNA 干扰（MdABI5-RNAi）转基因株系，并对其表型及生理生化指标进行分析。结果显示，干旱条件下，MdABI5-RNAi 株系受胁迫的影响比野生型植株更大。综上所述，该研究证实 MdABI5 对苹果耐旱性的增强具有正向调控作用。

 MdABI5 的过表达增强苹果的耐旱性

6、受组蛋白修饰调控的MdOCP3正向调控苹果耐旱性

类似地，作者此前研究的 ATAC-seq 结果显示，MdOCP3 启动子的染色质可及性与该基因自身的表达量均出现显著下调。在拟南芥中，ocp3 突变体可通过 ABA 依赖途径正向调控干旱响应，但 MdOCP3 在苹果干旱胁迫中的作用尚未有相关研究。本研究结果显示，与拟南芥的相关表现类似，干旱胁迫会导致苹果中 MdOCP3 的表达量下降，且随着干旱程度的加剧，其表达量呈逐渐降低趋势。进一步研究发现，MdOCP3 上游的 H3K9ac 和 H3K36me3 富集水平显著降低，这提示 MdOCP3 的表达下调可能受这两种组蛋白修饰的调控。为验证相关结论，研究人员通过 ChIP-qPCR 对 OCP3 上游组蛋白修饰变化进行检测，结果与 ChIP-seq 数据一致。为探究 MdOCP3 在苹果抗旱性中的具体作用，研究首先构建了两个 MdOCP3 过表达（MdOCP3-OE）转基因苹果株系。短期干旱胁迫处理后，MdOCP3-OE 株系表现出比野生型更强的耐旱能力，这一结果与拟南芥中的研究结论恰好相反。为进一步明确 MdOCP3 在干旱胁迫后的功能，研究又构建了 MdOCP3 RNA 干扰（MdOCP3-RNAi）转基因苹果植株，并在干旱处理后对其表型及多项生理生化指标进行分析。结果显示，与野生型植株相比，MdOCP3-RNAi 株系对干旱表现出更高的敏感性。

综上，该研究证实 MdOCP3 对增强苹果耐旱性具有正向调控作用。

图 MdOCP3的过表达增强苹果的耐旱性

7、表观遗传修饰对干旱调控网络的影响

为明确表观遗传修饰在苹果干旱响应通路中的调控机制，该研究分析了干旱响应相关基因的表观遗传修饰变化：ABA 信号响应通路关键基因（如 PYLs、PP2C 等）受表观遗传修饰调控，它们通过响应 ABA 及蛋白质磷酸化影响下游干旱相关转录因子功能。钙离子通路与激酶级联反应相关基因，以及 ABA 依赖通路和非依赖通路中的相关基因，也均受表观遗传修饰调控。同时，该研究发现，部分干旱响应基因受单一组蛋白修饰影响，另一些则受两种及以上组蛋白修饰调控。此外，bHLH35-like、SCL14 等基因上游的 DNA 甲基化变化，也会影响其表达。

图 表观遗传调控苹果干旱响应相关通路基因

研究小结

该研究以湖北海棠为材料，通过RNA-seq、WGBS及 6 种组蛋白修饰的ChIP-seq等技术，分析了干旱处理不同时间点的基因表达、DNA 甲基化及组蛋白修饰变化，同时探讨了干旱响应过程中不同表观遗传修饰之间的相关性，重点研究了干旱响应基因的表观遗传变异，特别是提出并验证了MdABI5 和 MdOCP3 受到组蛋白修饰调控且可以正向调节苹果耐旱性，揭示了苹果干旱响应的表观调控机制。

参考文献：

Wang, Shicong et al. “An integrative multi-omics analysis of histone modifications and DNA methylation reveals the epigenomic landscape in apple under drought stress.” Plant biotechnology journal, 10.1111/pbi.70173. 7 Jul. 2025, doi:10.1111/pbi.70173