草莓种间杂交和染色体加倍过程中DNA甲基化和基因表达的变化

发布时间：2018-04-08 12:03

本文选题：草莓　切入点：种间杂交　出处：《南京农业大学》2016年博士论文

【摘要】：多倍体化在植物进化的历史进程中频繁发生,并促进了新物种的形成。与二倍体物种相比,多倍体在多个方面表现出明显的优势,如更旺盛的生命力、更强的适应性。伴随着多倍体化,植物在基因组和基因表达上发生了复杂的变化,包括染色体重组、序列消除、基因沉默、基因的非加性表达和表观遗传等变化。多倍体化在植物界的频繁发生为作物育种提供了资源基础,但对它的发生机理我们还了解甚少。因此,对多倍体的研究可以加深我们对植物进化过程的了解,同时也为培育新的农作物品种提供了理论基础。草莓属(Fragaria Duch.)植物倍性多样,是研究植物多倍体的理想材料。以八倍体凤梨草莓(Fragaria×ananassa)和野生二倍体绿色草莓(Fviridis)为材料,通过两者的杂交和对杂种染色体加倍,分析了杂交和染色体加倍过程中草莓植株性状、DNA甲基化、基因表达等方面的特点。主要研究结果如下:1.以凤梨草莓、绿色草莓、种间杂交获得的五倍体及其染色体加倍而成的十倍体草莓为试材,利用cDNA-AFLP技术对四种不同倍性草莓的基因表达模式进行了研究。结果表明,凤梨草莓与绿色草莓在82.02%的位点表现出相同的表达模式,凤梨草莓比绿色草莓产生了更多的转录本,亲本中83.74%的转录本被稳定地遗传到了五倍体草莓和十倍体草莓中,且两个亲本基因组对十倍体草莓的贡献相近;杂交和染色体加倍都在一定程度上影响了基因的表达,与亲本相比,十倍体草莓中13.05%的转录本发生了表达改变,其中多数位点为基因沉默。表达发生改变的基因参与了转录、光合作用、细胞分裂和信号转导等多个生物过程。2.采用MSAP法对上述四种不同倍性草莓的基因组DNA甲基化进行了研究。凤梨草莓和绿色草莓的甲基化率相近,但两者在61.67%的位点表现为不同的甲基化状态;五倍体草莓的甲基化率与亲本相近,其中62.14%的位点表现出与亲本相同的甲基化状态,但两个亲本基因组对五倍体基因组的贡献并不相同,相比于绿色草莓,五倍体草莓从凤梨草莓继承了更多的基因组特异条带;五倍体草莓中出现了 31.92%的新带型,其中多数甲基化水平升高,亲本间的差异是导致五倍体草莓出现甲基化改变的主要原因。与五倍体草莓相比,十倍体草莓的甲基化状态几乎没有发生改变。因此,杂交是导致草莓多倍体化中甲基化改变的主要原因。草莓杂交和染色体加倍过程中发生甲基化改变的序列包括基因编码区和非编码区,相关基因涉及多个生物过程。采用BSP法对特定DNA序列的甲基化进行了定量检测,结果表明,凤梨草莓与绿色草莓发生甲基化的位点多数(82%)相同,尤其是甲基化水平较高的位点;相比于绿色草莓,倍性更高的凤梨草莓在多数位点的甲基化水平低;与亲本相比,五倍体草莓和十倍体草莓继承了两个亲本大部分甲基化位点,但也出现了一定数量的新位点,十倍体草莓中多数位点(62.75%)的甲基化水平比亲本高。3.从凤梨草莓和绿色草莓中分别克隆得到了 11个光合作用相关基因的部分序列,并对这些基因在不同倍性草莓中的表达进行了分析。凤梨草莓的核基因有多个部分同源基因,且相互间存在多处SNPs,所有SNP位点上都只存在两种碱基,暗示凤梨草莓由两套不同的亚基因组构成,并可能在多倍体化进程中经历了部分同源染色体间的重组;凤梨草莓单基因组表达量接近或低于绿色草莓,但这种差异小于两个基因组的倍性差异,即基因在凤梨草莓中的剂量效应被减弱;五倍体草莓多数基因的表达量介于两个亲本之间且更接近凤梨草莓,十倍体草莓基因的全基因组表达量明显高于五倍体草莓及其亲本,体现出更为明显的剂量效应。不同类型的光合作用相关基因对草莓杂交和染色体加倍表现出不同的反应,3个叶绿体基因(psaB、psbA和rbcL)和4个调节功能的基因(LHY、POR、RCA和SIGE)对杂交和染色体加倍的反应复杂,而光合系统中的结构基因(atpD、chl、PETC和rbcS)表达较稳定,表现出明显的剂量效应;在五倍体草莓和十倍体草莓中,来自凤梨草莓的转录本比来自绿色草莓的转录本更多,它们之间的比例与凤梨草莓和绿色草莓在五倍体和十倍体草莓基因组中所占的比例(4: 1)接近,但也有个别基因的表达出现了明显的偏差。4.为检测甲基化对基因表达的影响,对基因表达量与DNA甲基化水平的关系进行了分析。未甲基化或低水平甲基化基因的表达量一般随草莓倍性的升高而增加,表现出明显的剂量效应,但对有些基因,DNA的高水平甲基化使基因表达受到了抑制。如基因F-box protein SKIP23-like在凤梨草莓、五倍体和十倍体草莓中正常表达,在绿色草莓中因高水平的甲基化而导致基因沉默;调控叶绿体基因节律性表达的SIGE基因在多倍体草莓的甲基化使其表达受到了明显的抑制;编码产物为zinc finger protein 598和Cation/H(+) antiporter 18-like的两个基因在四种草莓中的甲基化导致基因表达的剂量效应明显减弱。综合以上基因甲基化水平与表达的关系,基因在多倍体植物中的表达受到了基因的剂量效应和DNA甲基化的综合调控。
[Abstract]:Polyploid has occurred frequently in the historical process of plant evolution and promoted the formation of new species . In this paper , the gene expression patterns of strawberry and green strawberry were studied . The results showed that the methylation rate of strawberry and green strawberry was similar to that of the parents . The expression of genes ( atpD , chl , PETC and rbcS ) in strawberry was significantly inhibited .

【学位授予单位】：南京农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S668.4

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