大豆GmbZIP123对油脂合成的调控机制研究及microRNA和全基因组DNA甲基化分析

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大豆作为重要的经济作物,是植物蛋白和植物油的主要来源。通过基因工程技术提高大豆的油含量,改善大豆油脂品质,是满足我国油脂需求的重要途径。然而对于大豆油脂合成以及调控基因的研究进展缓慢。microRNAs(miRNAs)以及表观遗传修饰在植物发育、响应外界信号等过程中发挥重要功能,但在大豆种子发育中的作用知之甚少。因此,鉴定参与大豆种子油脂合成调控的基因,分析miRNAs以及表观遗传修饰对大豆种子基因表达的调控规律是我们研究的主要内容。  首先利用高通量测序技术分析了大豆种子发育不同时期以及其它器官的基因表达差异,鉴定了一批油脂快速合成阶段高表达的基因,并从中挑选出87个转录调控因子。在拟南芥中过量表达部分转录因子,通过分析转基因植株种子的油脂含量,鉴定参与种子油脂积累调控的基因。我们发现过量表达其中一个转录因子GmbZIP12基因可以提高拟南芥种子油脂含量。转录组测序,转录激活以及糖含量分析发现GmbZIP12主要通过诱导蔗糖转运蛋白基因(AtSUC1、AtSUC5)和细胞壁转化酶基因(AtcwINV1、AtcwINV3和AtcwINV6)的表达,促进糖到种子的运输,为油脂合成提供更多原料和能量从而提高种子油脂含量。  通过对大豆种子的小RNA测序,我们鉴定了26个新的miRNAs。通过降解组测序,发现分别有145和25个基因被已知miRNAs和新鉴定miRNAs降解。对靶基因的GO分析显示与生殖和发育有关的基因受到miRNA的显著调控,并且发现在拟南芥小RNA合成中起重要作用的基因AtSGS3的大豆同源基因是新鉴定的gma-miR2118a-3p的靶基因。这些研究将促进miRNA在大豆种子发育和储藏物质积累过程的功能解析。  通过转录起始位点测序我们预测了大豆21,837个基因的转录起始位点,并利用甲基化组测序全面解析了根、茎、叶和种子成熟过程中子叶的DNA甲基化水平以及在染色体上的分布。转录起始位点的预测为大豆全长基因克隆提供了重要依据。我们鉴定了2,170个在不同器官间具有不同甲基化水平的区域(DMRs),而且发现低甲基化区域附近的基因中显著富集表达上调的基因。由于Ⅰ类转座子(反转录转座子)和Ⅱ类转座子(DNA转座子)在基因启动子上的不同分布,低丰度基因的启动子区上CG和CHG甲基化水平较高,但CHH甲基化水平较低。我们进一步发现Ⅱ类转座子的CHH甲基化水平高于Ⅰ类转座子,可能与更多的小RNAs定位到Ⅱ类转座子有关。这些研究深入解析了大豆DNA甲基化、小RNA丰度、转座子分布以及基因表达之间的相互关系。
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