近日，期刊《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》在線發(fā)表*昆明植物研究所高立志研究組與華南農(nóng)業(yè)大學(xué)劉向東教授合作的一篇研究論文，題為“Autotetraploid rice methylome analysis reveals methylation variation of transposable elements and their effects on gene expression”。
多倍化又稱全基因組重復(fù)，在植物、動物和真菌中都經(jīng)常發(fā)生。所有被子植物在進(jìn)化過程中都至少經(jīng)歷過一次多倍化事件，顯示出多倍化事件在植物進(jìn)化中起到的關(guān)鍵作用。多倍化事件產(chǎn)生了大量新的遺傳材料，增加了基因組復(fù)雜性，為現(xiàn)存植物的成功進(jìn)化提供了重要基礎(chǔ)。多倍化會給基因組造成強(qiáng)烈的沖擊和*深遠(yuǎn)的影響，多倍化事件發(fā)生后植物基因組的進(jìn)化是一個動態(tài)的過程。因此，可以將多倍化事件發(fā)生后基因組的進(jìn)化視為基因組對多倍化事件的應(yīng)答并區(qū)分為短期效應(yīng)和*效應(yīng)。無論短期效應(yīng)還是*效應(yīng)，表觀遺傳修飾都會對基因組的變化產(chǎn)生影響。
高立志研究員帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊與華南農(nóng)業(yè)大學(xué)劉向東教授合作。針對表觀遺傳修飾中的核心內(nèi)容之一：DNA 甲基化，采用人工合成第 48 世代的同源四倍體水稻(Oryza sativa ssp.indica, 2n=48)及其對應(yīng)世代的親本二倍體秈稻矮腳南特為材料，利用亞硫酸氫鹽轉(zhuǎn)化測序、小 RNA 測序、轉(zhuǎn)錄組測序等方法，在全基因組水平上開展了多倍化事件發(fā)生后 DNA 甲基化變異與基因組短期效應(yīng)關(guān)系的研究。
結(jié)果表明：二、四倍體水稻的大部分基因表達(dá)水平?jīng)]有差異，四倍體水稻沒有因?yàn)榛蚩截悢?shù)目的倍增而表現(xiàn)出劑量效應(yīng)。轉(zhuǎn)座子 DNA 甲基化水平在基因組范圍內(nèi)表現(xiàn)出廣泛的差異，四倍體水稻 DNA 轉(zhuǎn)座子的 CHG 和CHH 甲基化水平普遍升高，同時伴隨著 sirnas 豐度的增加。DNA 轉(zhuǎn)座子甲基化水平的升高抑制轉(zhuǎn)座子鄰近基因的表達(dá)，使得盡管四倍體水稻基因的拷貝數(shù)目增加但大部分基因表達(dá)量維持在與二倍體相當(dāng)?shù)乃?，表現(xiàn)出劑量補(bǔ)償效應(yīng)。這一結(jié)果意味著多倍化對基因組造成的沖擊帶來了轉(zhuǎn)座子 DNA 甲基化水平的變異，大量地分布在常染色質(zhì)區(qū)域的 DNA 轉(zhuǎn)座子甲基化水平的升高，很可能干擾了 DNA 轉(zhuǎn)座子周圍基因的表達(dá)，使得新產(chǎn)生的四倍體中絕大部分基因的表達(dá)水平與二倍體基因的表達(dá)水平相當(dāng)，有利于緩沖多倍化剛發(fā)生時基因組即刻倍增與細(xì)胞環(huán)境結(jié)構(gòu)不能迅速增加之間的矛盾，這可能是新產(chǎn)生的多倍體適應(yīng)基因組加倍沖擊而成功存活的一條有效途徑。該研究成果為多倍化事件發(fā)生后植物基因組進(jìn)化受表觀遺傳修飾影響的研究提供了重要的理論基礎(chǔ)。
研究所用的二、四倍體水稻的形態(tài)學(xué)與細(xì)胞學(xué)差異示意圖
四倍體水稻 DNA 甲基化圖譜(A)1號染色體DNA甲基化水平分布(B)基因和轉(zhuǎn)座子區(qū)域DNA甲基化水平分布的比較
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Autotetraploid rice methylome analysis reveals methylation variation of transposable elements and their effects on GENE expression
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