论文部分内容阅读
多倍化又称全基因组重复，在植物、动物和真菌中都有发生，所有被子植物在进化过程中都至少经历过一次多倍化事件，显示出多倍化事件在植物进化中起到的关键作用。多倍化事件产生了大量新的遗传材料，增加了基因组复杂性，为现存植物的成功进化提供了有力支持。多倍化会给基因组造成强烈的冲击和长期深远的影响。植物基因组的进化是一个动态的过程，多倍化事件发生以后也是如此，因此可以将多倍化事件发生后基因组的进化看做基因组对多倍化事件的应答，并且可以区分为短期效应和长期效应。无论短期效应还是长期效应，表观遗传修饰都会对基因组的变化产生影响。本研究针对表观遗传修饰中的核心内容之一——DNA甲基化，以人工合成同源四倍体水稻以及古多倍体大豆为材料，开展多倍化事件发生后DNA甲基化变异与基因组短期与长期效应关系的研究，以期为多倍化事件发生后植物基因组进化研究提供理论基础。本文主要结果概括如下: 多倍化事件发生后，随着染色体数量的加倍，基因数量成倍增加。异源多倍体的形成涉及已分化基因组的杂交事件和基因组加倍事件，并且杂交事件对基因组的影响比加倍事件显著，因此难以用异源多倍体研究基因组加倍事件本身造成的影响，而采用同源多倍体就能专一地研究基因组加倍事件。本研究采用人工合成的第48世代的同源四倍体水稻（Oryza sativa ssp.indica，2n=48）及其对应世代的亲本二倍体水稻为材料，利用亚硫酸氢盐转化测序、小RNA测序、转录组测序等方法在全基因组水平上研究多倍化对基因组造成的短期效应。结果表明，二、四倍体水稻间除163个基因差异表达外，绝大部分基因表达水平没有差异，四倍体水稻没有因基因拷贝数的倍增而表现出剂量效应。转座子DNA甲基化水平在基因组范围内表现出广泛的差异，四倍体水稻DNA转座子的CHG和CHH甲基化水平普遍升高，同时伴随着siRNAs丰度的增加。DNA转座子甲基化水平的升高抑制转座子邻近基因的表达，使得虽然四倍体水稻基因的拷贝数增加但大部分基因表达量维持在与二倍体相当的水平，表现出剂量补偿效应。本研究结果意味着多倍化对基因组造成冲击带来了转座子DNA甲基化水平的变异，大量分布在常染色质区域的DNA转座子甲基化水平的升高，很可能干扰DNA转座子周围基因的表达，使得新产生四倍体绝大部分基因的表达水平与二倍体基因的表达水平相当，有利于缓冲多倍化刚发生时基因组即刻倍增与细胞环境结构不能迅速增加之间矛盾，这可能是新多倍体适应基因组加倍冲击而成功存活的一条有效途径。 多倍化事件发生后能产生大量的重复基因，重复基因的进化是基因组进化的重要内容，也是多倍化事件对基因组长期效应研究的核心内容。大豆(Glycine max)进化历史中经历过多轮的多倍化事件，最近一次发生在约13百万年前，与其他植物相比这次多倍化事件发生时间距今较近，因而为大豆基因组留下了丰富的多倍化起源基因可供研究。本文利用大豆全基因组甲基化数据，研究大豆最近一次多倍化事件的长期效应。结果表明，多倍化事件起源的双拷贝基因甲基化程度高于多倍化事件起源的单拷贝基因。双拷贝基因中甲基化基因比单拷贝基因中甲基化基因数量所占比例较高，并且表现出甲基化位点主要分布在中间外显子、编码区长度较长、外显子数量较多等趋势。根据双拷贝基因拷贝间甲基化状态的不同，将双拷贝基因分为三类:双拷贝甲基化基因对、单拷贝甲基化基因对和双拷贝非甲基化基因对。三类双拷贝基因在基因表达分化、进化速率、基因结构等方面均表现出各自特征。意味着DNA甲基化与多倍化起源基因的进化有着密切关系，表明DNA甲基化在多倍化事件长期效应中也有着重要作用。