苹果不同开花能力类型芽转录组、DNA甲基化比较分析及候选MdCDF家族鉴定与表达分析

发布时间：2020-05-09 21:34

【摘要】：‘富士’是我国苹果的主要栽培品种,但其存在花芽难形成且质量差等现实生产难题,严重限制了我国苹果的优质高效生产。研究表明,DNA甲基化在植物成花调控、生长发育及逆境胁迫等多种生物学过程具有重要作用。但对于木本果树苹果,其全基因组DNA甲基化水平、及其调控的关键核心基因共同介导的成花调控机制尚不清楚。因此探究苹果不同开花能力类型芽基因表达模式和其甲基化水平,挖掘在不同开花能力类型芽中基因甲基化状态与表达水平间的关系,对于解释DNA甲基化在苹果成花调控中的作用、丰富苹果成花诱导调控基础理论,具有重要的理论与现实意义。本研究以苹果‘长富2号’品种易成花的短枝顶芽、难成花的长枝顶芽以及基本不成花的腋芽为材料,对比3种不同成花能力类型芽形态生理特性差异,利用RNA-seq和WGBS技术,鉴定比较分析三者全基因组DNA甲基化水平,及其与相关基因之间的调控关系。筛选差异DNA和基因表达水平的候选关键基因MdCDF2,并解析其涉及的DNA甲基化过程参与苹果成花的调控机制。获得主要研究结果如下:1.转录组比较分析。构建了苹果‘长富2号’3种不同开花能力类型芽RNA-seq文库,分析比较不同芽之间形态生理特征,发现较之另外2种类型芽,短枝顶芽中IAA、BR、GA和CTK含量较低,但ABA和碳水化合物含量较高。发现Sb vs Lb、Sb vs Ab、Lb vs Ab鉴定出来的差异表达基因的数量分别为674、750和524个。这些差异基因主要涉及糖代谢,如蔗糖合成基因(SUS5和SUS6),脂质转运基因(VAS),碳水化合物代谢基因(TPP1和TPR1等),在短枝顶芽中,这些基因的相对表达量显著高于长枝顶芽和腋芽;激素合成与代谢,如脱落酸合成相关基因(NCED1和CCD4),信号响应相关基因(PYL4)等在短枝顶芽中均显著上调表达;及成花基因,如其中包括花发育相关基因SPL13,SOC1和AP1等显著差异表达。另外,一些核心转录因子,如WOX1,WRKY13和HSP70在短枝顶芽中均上调表达。2.DNA甲基化比较分析。构建了苹果‘长富2号’3种不同开花能力类型芽全基因组BS-seq文库,鉴定了全基因组DNA甲基化图谱。检测了这3种类型芽的全基因组甲基化模式,发现CHH模式的甲基化水平在腋芽中最高,约占69.16%,而CG和CHG模式的甲基化水平在长枝顶芽中最高,分别为16.71%和15.42%。通过对3种芽不同基因区域DNA甲基化水平比较分析,发现不同开花能力类型芽的不同基因区域甲基化水平存在明显差异。在3种甲基化模式下,长枝顶芽基因启动子、5′UTR、外显子、内含子和3′UTR的DNA甲基化水平相对高于短枝顶芽,而且基本不成花的腋芽基因DNA甲基化水平也明显高于易成花的短枝顶芽,这可能是其成花难的原因之一。另外,鉴定了3个比较组中差异甲基化区域,将苹果不同开花能力类型芽高甲基化和低甲基化的差异甲基化区域进行可视化,与长枝顶芽和腋芽相比,CDF2基因在短枝顶芽中出现高甲基化现象。3.DNA甲基化与基因转录丰度相关性分析。根据基因FPKM值,分为4组:不表达(none:FPKM0.1),低表达(1st:0.1FPKM10),中度表达(2nd:10FPKM100),高表达(3rd:FPKM100);根据DNA甲基化水平,分为5组:甲基化水平20%;20%甲基化水平40%;40%甲基化水平60%;60%甲基化水平80%;甲基化水平80%。发现,在苹果不同开花能力类型芽中gene-body区域甲基化水平最高(第5组)的基因其表达水平最低,表明gene-body区域甲基化和基因表达呈负相关。与之相反,启动子区域甲基化水平最低的基因(第1组)在芽中的表达水平也最低,说明在启动子区域基因甲基化与其表达呈现正相关。4.候选基因家族MdCDFs鉴定、表达分析及MdCDF2功能研究。发现在苹果基因组中共有该家族成员11个,对其进行了理化特性、进化关系、基因结构等分析。通过RT-qPCR检测了所有MdCDF基因成花诱导阶段,在‘长富2号’及蔗糖处理后的表达模式,MdCDF2和MdCDF6响应蔗糖处理显著下调表达;亚细胞定位表明2个基因均定位于细胞核,且OE-MdCDF2过表达拟南芥出现明显的晚花表型。
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S661.1

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