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基迪奥合作客户柳枝稷表观遗传研究再续佳篇!

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    发表于 2019.10.31 09:57:59 | 显示全部楼层 |阅读模式
    发表期刊:Journal of Experimental Botany  IF=5.36
    合作单位:四川农业大学

    小知识

    1.多倍体

    多倍体化,即基因组倍增现象,在植物进化过程中多次发生,对植物适应复杂的环境变化有重要意义,也是植物多样性的重要来源,对经济作物优化、改良有重要指导意义,但多倍体化表型变化的分子机制尚不清楚。

    同源多倍体是指染色体数量上的加倍,DNA序列变化很小,但是同源多倍体植物的转录调控网络、表型有很多微妙变化,暗示了多倍体中存在的除了基因组剂量效应以外的表观调控作用。

    2.转座子(TE)

    是基因组中一段可移动的DNA序列,可通过切割、重新整合等一系列过程从基因组的一个位置“跳跃”到另一个位置,并调控其后的基因,在植物基因组中占有很高的比例,在基因组扩张、表观遗传、进化方面发挥重要作用。

    研究背景

    研究围绕最有前景的生物能源原料草——柳枝稷,在收获了其根、叶表观调控差异和调控规律的研究成果(链接)后,这一次,该团队携带多倍体化柳枝稷草表型差异的表观调控机制强势归来。

    至此,基迪奥已助力蓖麻、柳枝稷等多个研究方向连续发表多篇表观遗传调控的系列文章,在表观遗传调控领域具有丰富专业的数据挖掘经验。我们总结文章的研究思路和数据分析技巧分享给大家。

    实验方法

    双二倍体(4x)和同源多倍体(8x)柳枝稷草,采集种植120天后的叶组织,各 6份组织混合为1个生物学重复进行全基因组甲基化测序(BS-seq),各3份组织混合为2个生物学重复进行转录组测序(RNA-seq)和小RNA测序(siRNA-seq)。

    研究思路


    图1 文章研究思路

    研究结果

    1.4x和8x的柳枝稷甲基化差异分析

    合成多倍体(8x)柳枝稷后,通过两种植株的表型观察对比,发现8x植株叶片更大、茎更粗,而且开花时间延后了1个月。针对多倍体后的表型变化,除了基因组剂量效应,背后是否还有表观遗传的调控?表观调控机制是怎样的呢?

    为了解答这些疑问,研究首先对两种植株叶组织进行甲基化对比,判断是否有差异。在全基因组水平,两植株的CG、CHG、CHH(H指A、T、C碱基)三种位点的甲基化水平无显著差异(图2A);但在基因、TE、及它们上下游2Kb区域,8x植株CHH位点甲基化显著降低(图2B),暗示了甲基化差异与TE、基因关联的潜在调控机制。

    针对CHH低甲基化的来源,文章结合转录组分析DNA甲基化、去甲基化、RNA从头合成甲基化(RdDM途径,受24-nt siRNA调控)三种途径相关基因表达特征,发现CHH相关的CMT2、RdDM等表达下调;针对CHH低甲基化的效应,文章从差异甲基化覆盖区(DMRs)基因、TE和差异表达基因(DEGs)等角度揭示其与表型差异的关联。

    图2 甲基化差异分析

    2.差异甲基化、小RNA与DEGs关联分析

    植物中TE甲基化在转录调控中有重要作用,文章发现CHH型DMRs在基因周围的TE区显著富集,靶向TE的siRNA表达量与CHH甲基化水平显著正相关,暗示siRNA对CHH甲基化的影响。

    另一方面,DMRs覆盖区基因的GO功能分析发现其与生长素响应、细胞分裂等影响表型变化的功能有关。进一步结合转录组数据,文章统计发现DMRs、差异表达siRNA(DEsiRNA)、差异表达miRNA(DEmiRNA)覆盖或靶向的DEGs(图3A)有2948个,占差异基因总数的65.09%,暗示表观调控和小RNA参与了重要的转录调控过程。结合基因注释信息,发现受甲基化和小RNA共同影响的DEGs中,有75个与表型变化相关(图3B),有2个与繁殖过程的开花时间有关,暗示表观机制调控的表型差异。

    图3 DMRs、DEsiRNA、DEmiRNA关联的DEGs分析

    3.8x柳枝稷开花延迟的表观调控机制

    由于开花延迟现象涉及多倍体后植物对基因组分配、减数分裂等过程的调控,对植物繁殖有重要影响,研究针对这一表型差异进行深入探讨。在柳枝稷中鉴定到1473个转录本与拟南芥开花过程相关基因同源,有58个是DEGs,涉及9个代谢通路。其中编码成花素的FT基因下调,其上游TOE1基因(作为FT的抑制因子)上调。

    结合甲基化和小RNA数据,文章进行了这两个基因表达差异的表观调控机制研究(图4),发现1个DMRs覆盖FT,4个DMRs覆盖TOE1,两个基因上游各有1个DMRs覆盖的TE,FT基因区鉴定出1个下调siRNA (t00316171)靶向FT下游的4个TE EnSpm,也是DMRs覆盖区。

    结果表明,FT基因下调和TOE1上调影响开花时间,而FT和TOE1的表达量变化受小RNA和甲基化的表观调控。

    图4 多倍体开花时间的表观调控机制

    小结

    1)研究在揭示柳枝稷根、叶基因表达差异的表观调控机制后,继续开展柳枝稷多倍体化后,表型差异的表观调控机制,为这一重要生物能源原料提供了丰富的表观机制研究成果。

    2)熟练应用甲基化测序、全转录组测序数据,从基因、TE区甲基化差异分析入手,进行甲基化与相关酶、siRNA表达量关联分析(上游甲基化形成差异),DMRs覆盖的基因功能特征、与DEGs关联分析(下游甲基化调控效应),系统分析表观调控机制。

    3)由面到点,从整体的表型相关代谢通路分析到精细的开花时间表观调控机制,对多倍体的表观调控机制更加丰富有深度。

    Tips
    基迪奥在以转录组为中心的多组学领域已累计发表80+篇优质文章(不完全统计),在DNA、RNA、蛋白、代谢、表观、微生物相关的关联分析、数据深度挖掘、个性化分析方面有丰富的项目经验,有需要的小伙伴可联系当地销售咨询。


    参考文献
    Yan H, Bombarely A, Xu B, et al.Autopolyploidization in switchgrass alters phenotype and flowering time viaepigenetic and transcription regulation[J]. Journal of experimental botany,2019.

    本文作者:基迪奥-小鱼儿

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