目前，有大量研究都在探索各种物种中复杂性状背后的遗传学基础。然而，大多数研究者均未探索天然的表观遗传变异可能对可遗传性表型多样性产生的重要贡献。表观遗传学（epigenetics）是指研究由不改变 DNA 序列的某些机制所引起的可遗传性表型变异的一门学科。研究者们往往忽视了表观遗传变异，这是因为大多数用于分析复杂性状遗传学基础的种群体内含有大量的 DNA 序列变异（为表型变异的主要驱动力），而从这些 DNA 序列变异中区分出表观遗传变异的效应是一件极具挑战性的任务。 Cortijo 等人证明，表观等位基因（epialleles，即表观遗传等位基因，是指 DNA 序列相同、但 DNA 甲基化模式却不同的等位基因）与拟南芥（Arabidopsis thaliana）两个复杂性状的可遗传性变异有关。这些研究结果提供了强有力的证据，证明表观等位基因使得复杂性状具有可遗传性，因而这一研究提出了达尔文进化机制的另一个基础。
Cortijo 等人将 DNA 甲基化缺陷的突变株（ DNA 甲基化降低1（decreased in DNA methylation 1, ddm1））与相应的野生型拟南芥进行杂交，建立了一种独特的表观遗传重组自交系（epigenetic recombinant inbred line, epiRIL），他们随后对这种通过实验生成的 epiRIL 进行了分析。在动物中， DNA 甲基化会经历广泛而不完全的消除与重编程，而植物基因组中的 DNA 甲基化却可以世代相传。因此，研究者们能够构建出由纯合型甲基化状态（来自于野生型母体或突变型母体）组成的马赛克表观基因组：研究者们仅保留了那些携带有野生型 ddm1 等位基因的植物，以用于进一步的分析。
此前的 epiRIL 种群研究已经发现， epiRIL 中存在广泛的形态学性状差异，例如株高、生物量（biomass）、果实大小、果实数量、开花时间、发芽率以及对细菌感染的反应性。此外，这些表型变异的可遗传度与野生型拟南芥中所估计的可遗传度不相上下，这就表明 epiRIL 的 DNA 甲基化组受到干扰后，能够产生与野生植物相类似的可遗传性表型多样性。
然而人们目前还不清楚， epiRIL 中由环境扰动所诱发的表观等位基因状态（以差异性甲基化区域（differentially methylated region, DMR ）为观察指标）的稳定性如何，是否能够成为人工选择或自然选择的目标？ Cortijo 等人曾经以孟德尔方式分离出 DMR ，并将这些 DMR 的甲基化状态作为绘制遗传图谱的标记。这种遗传图谱能够被绘制出来，就表明许多新诱导产生的甲基化状态是稳定的，至少在用于构建 epiRIL 种群的那几代中是稳定的。 Cortijo 等人运用这种遗传图谱，成功地对两种可高度遗传的复杂性状——开花时间（time to flowering, FT）与主根长（root length, RL）进行了基因连锁绘图。连锁分析显示，有三个数量性状基因座（quantitative trait locus, QTL ）与 FT 有关，另外有三个不同的 QTL 与 RL 有关，而这些 QTL 的联合叠加效应能够解释大部分与FT或RL有关的总体表型变异。因此，这项研究清楚地表明：许多在 epiRIL 种群形成过程中产生的表观等位基因至少可以在八代之内稳定存在，并且能够影响肉眼可观察到的表型变异。如果想证明表观等位基因是造成 epiRIL 种群出现表型变异的原因，那么下一个重要的挑战就是要确定每个 QTL 是由哪些表观等位基因变异所引起的。
Cortijo 等人的研究基础是：利用试验方法在人工种群中诱导形成表观等位基因。这是目前能够区分出天然的遗传变异与表观遗传变异之间关联的唯一方法。然而这就引出了一个问题：这些结果是否可以应用于野生的拟南芥。为了解决这个问题， Cortijo 等人对 138 种野生型拟南芥进行了全基因组重亚硫酸盐测序（whole-genome bisulfite sequencing），并将检测到的 DMR 与 epiRIL 中的 DMR 进行了比较。他们发现，在他们的 epiRIL 中大约有 30% 的 DMR 也存在于野生型拟南芥中。实验诱导的表观等位基因与自然发生的表观等位基因之间的这种重叠现象可表明，这些位点是高度相关的，并且可能是引发一些被经常讨论的复杂性状“遗传性缺失（missing heritability）”现象的原因。
Cortijo 等人也发现，在自然界种群中还存在有为数甚多的、能被 DNA 甲基化沉默的等位基因突变。 epiRIL 种群的构建方法能够重新激活这其中的一部分等位基因，进而产生可遗传的表型变异。实验诱导产生的表观等位基因与天然的表观等位基因之间存在着相当可观的重叠现象，而造成这种重叠现象的可能原因是：野生植物的 ddm1 基因中存在有天然的功能缺失性突变。有证据表明在拟南芥中，即便 ddm1 未发生变异，也会在数代植物中自发形成表观等位基因，其中一些表观等位基因的形成还具有周期性。
在这些种群中检测到的表观等位基因（不论是实验诱导产生的，或是自然形成的）都是在实验环境未被干扰的情况下出现的。在环境的诱导下形成表观等位基因的可能性为多大？在物种局部适应不断变化的环境的过程中，这些表观等位基因发挥了什么样的作用？这些问题引起了研究者浓厚的兴趣，但是目前很少有证据能够证明存在着由环境诱导产生的、能在不同代之间保持稳定的表观等位基因。下一个重要的任务是：确定环境是否能够影响这些自发形成的表观等位基因的发生率。
Cortijo 等人证明，通过干扰 DNA 甲基化组、重新激活被沉默的 DNA 序列，就可以产生可遗传的表型变异。对于作物系统而言，这一研究结果产生了令人激动的影响，说明人们能够快速形成与天然性遗传变异（以往未被研究的）相关的可遗传性表型变异。如果研究者们开发出一些技术，在不影响 DNA 序列的同时准确改造 DNA 甲基化位点，那么就能够检测候选的表观遗传 QTL ，并且能够在众多植物种群中检测出表观遗传 QTL 被等位基因（曾经被表观遗传机制沉默了的）选中的可能性。今后的研究将会确定这些表观等位基因迅速形成可遗传性表型变异的可能性，而自然选择过程将通过影响这些可遗传性表性变异，进而改变某个物种进化的轨迹。
原文检索：
Robert J. Schmitz. The Secret Garden—Epigenetic Alleles Underlie Complex Traits. Science 7 March 2014; DOI:10.1126/science.1251864
