关键词：
甘蓝型油菜
昼夜节律
生物钟
异源多倍体
转录组
表观遗传修饰
亚基因组不平衡
同源表达
摘要：
为适应地球自转产生的24 h的昼夜交替现象,生物进化产生了生物钟系统,它具有内源性和自主振荡的特点,不依赖环境变化即可维持生命活动以近似地球自转周期进行昼夜振荡。外部环境的变化可以调节生物钟组件的转录振荡相位,而生物钟的温度补偿特性可以使生命活动在不同的温度条件下保持相对稳定。目前,核心生物钟基因及其调控网络已被基本探明。核心生物钟系统组件通过转录翻译负反馈环对下游功能基因的表达进行调控,以帮助生物适应外界环境周期变化。生物钟的自主特性使得生物能够更及时、经济地应对以昼夜振荡为主的周期性环境变化。
甘蓝型油菜是一种重要的经济作物,能够提供油料、饲料、蔬菜等多种原材料,同时也可用于观赏。在我国,甘蓝型油菜的种植不与主要粮食作物争地,在盐碱地开发利用中具有很大的种植潜力,对于保障粮食安全并提高经济效益具有重要意义。中国幅员辽阔,跨越不同纬度,昼夜条件多样,因此光温适应性是甘蓝型油菜广适性品种培育的主要育种目标。作为自然产生的异源多倍体物种,甘蓝型油菜具有复杂的遗传背景却年轻且清晰的物种起源,同时甘蓝型油菜具有完善的基因组信息,这些有利因素有助于多倍体的昼夜节律研究。异源多倍体物种经历了远缘杂交和基因组加倍事件,亚基因组间是否存在昼夜振荡差异,以及多种表观遗传修饰对节律基因同源表达多样性的影响仍然未知。染色质拥有类型丰富的表观遗传修饰,能够灵活地参与基因表达调控。多种表观遗传修饰的组合和信号强度的差异联合影响基因的转录。因此,分析组蛋白修饰和基因表达之间的关系对昼夜节律研究至关重要。表观遗传修饰的昼夜振荡有助于促进基因转录的昼夜振荡,全基因组加倍事件之后,节律基因的同源表达呈现多样性。目前还没有相关研究探索生物钟基因多拷贝之间的昼夜振荡差异及其表观遗传修饰差异。
本研究以光周期敏感的甘蓝型油菜“丙409”为实验材料,利用自然昼夜条件下生长的植株,在成花转化前,于两个完整昼夜周期的48 h内每隔4 h取样一次,通过ChIP-Seq实验,建立组蛋白修饰H3K4me3和H3K9ac以及RNAPⅡ募集的昼夜振荡数据集。同时对相同样品创建相应时间点的RNA-Seq文库,产生基因转录的时间序列数据。另外,我们还通过ATAC-Seq实验探究染色质可及性与基因转录昼夜振荡之间的关系。主要研究结果如下:
1.创建了甘蓝型油菜多周期以4 h为间隔的基因组转录和表观遗传修饰昼夜节律数据集。本研究产生了78个高质量的测序文库,数据集包含了两个昼夜内甘蓝型油菜全部蛋白质编码基因转录及其组蛋白修饰H3K4me3和H3K9ac以及RNAPⅡ募集的时间序列数据。
2.表征了甘蓝型油菜基因组转录的昼夜振荡特征。我们发现23.16%的蛋白质编码基因的转录是昼夜节律的。基因由于自身生物学功能以及所受调控的影响,其表达通常具有波动性,节律基因具有更加显著的昼夜振荡特征,如周期稳定性、更高的振幅与峰谷比。结合转录本的分析显示节律基因更多是由外显子昼夜振荡贡献的。节律基因广泛具有结合、催化等活性,参与代谢、细胞等过程等。同源基因对和亚基因组特异基因存在昼夜节律差异,前者在昼夜节律中的表现更加活跃。
3.表征了甘蓝型油菜中促进基因活跃转录的相关组蛋白修饰的昼夜振荡特征。组蛋白修饰H3K4me3和H3K9ac以及RNAPⅡ募集均呈现出稳健的昼夜振荡。表观遗传修饰的昼夜节律促进基因转录的昼夜节律的维持。H3K9ac的昼夜振荡相位早于基因转录,而H3K4me3的昼夜振荡相位迟滞于基因转录。
4.从白菜到甘蓝型油菜的物种演化过程中,远缘杂交和多倍化进程广泛改变了A基因组的昼夜节律转录行为。我们比较了亚基因组水平的昼夜节律转录特征,甘蓝型油菜An亚基因组上基因转录的振荡特征与其两位祖先之一的白菜A基因组存在广泛的差异。尽管全局状态下甘蓝型油菜An亚基因组的基因表达水平和活性表观遗传修饰高于Cn亚基因组,但Cn亚基因组的昼夜节律转录和组蛋白修饰高于An亚基因组。我们发现基因转录的节律特性和昼夜振荡特征在同源基因对中的差异分布等均受到染色质可及性的影响。
5.表观遗传修饰差异是同源基因差异表达的重要影响因素。同源基因转录的昼夜节律差异与它们分别介入不同的生物学途径有关。同源基因上的表观遗传修饰差异或许与它们在不同细胞类型和发育阶段以及差异环境下的表达调控不同有关。
6.多元组蛋白修饰的昼夜振荡促进同源基因节律表达呈现多样性。同源基因节律转录的昼夜振荡特征存在的差异与多样的表观遗传修饰组合有关。多种表观遗传修饰影响下的同源基因的节律表达差异可能与复杂基因组背景生物对外部环境的高适应性有关。
综上所述,为了表征甘蓝型油菜基因组的昼夜振荡特征,我们在甘蓝型油菜成花转换前通过RNA-Seq和ChIP-Seq产生了高质量的基因转录和表观遗传修饰数据集。我们发现蛋白质编码基因的转录和组
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