全基因組DNA甲基化和小RNA分析揭示甘藍(lán)型油菜種子的基因組不對(duì)稱性

瀏覽次數(shù)：593　發(fā)布日期：2023-6-9　來源：本站　僅供參考，謝絕轉(zhuǎn)載，否則責(zé)任自負(fù)

多倍體是被子植物基因組進(jìn)化中的一種持續(xù)現(xiàn)象，有助于現(xiàn)存開花植物的多樣性。甘藍(lán)型油菜（Brassica napus）是世界上最重要的被子植物油料作物品種之一，起源于Brassica rapa（Aⁿ）和Brassica oleracea（Cⁿ）的種間雜交。盡管轉(zhuǎn)錄組學(xué)中基因組優(yōu)勢(shì)的趨勢(shì)開始顯現(xiàn)，但多倍體在生殖發(fā)育過程中的表觀遺傳學(xué)和小RNA（small RNA，sRNA）調(diào)控機(jī)制知之甚少。種子是向新孢子體代的關(guān)鍵發(fā)育過渡，并隨時(shí)間發(fā)生表觀遺傳修飾。雙二倍體（amphidiploids）種子發(fā)育的協(xié)調(diào)需要祖細(xì)胞（Progenitor cell）基因組的表觀遺傳平衡。雖然DNA甲基化和RNA干擾是支持發(fā)育的關(guān)鍵過程，但將它們與種子發(fā)育聯(lián)系起來的許多細(xì)節(jié)仍在出現(xiàn)，尤其是在異源多倍體中。

2023年05月17日，加拿大曼尼托巴大學(xué)生物科學(xué)系Mark F Belmonte團(tuán)隊(duì)在《The Plant Journal》雜志發(fā)表題為“Genomic asymmetry of the Brassica napus seed: epigenetic contributions of DNA methylation and small RNAs to subgenome bias”的研究論文，該研究利用WGBS和sRNA-seq等實(shí)驗(yàn)揭示了DNA甲基化和小RNA在甘藍(lán)型油菜種子亞基因組偏好中的表觀遺傳作用。

標(biāo)題：Genomic asymmetry of the Brassica napus seed: epigenetic contributions of DNA methylation and small RNAs to subgenome bias（甘藍(lán)型油菜種子的基因組不對(duì)稱性：DNA甲基化和小RNA對(duì)亞基因組偏好的表觀遺傳貢獻(xiàn)）
時(shí)間：2023-05-17
期刊：The Plant Journal
影響因子：IF 7.091
技術(shù)平臺(tái)：WGBS、sRNA-seq等

研究摘要
本研究分析了甘藍(lán)型油菜（B. napus）種子發(fā)育過程中，Aⁿ和Cⁿ兩個(gè)亞基因組以及祖代縮減的基因組（ancestral fractionated genome）中DNA甲基化和小干擾RNA（small interfering RNA，siRNA）圖譜的偏好發(fā)生率。研究結(jié)果表明，Cⁿ亞基因組的siRNA表達(dá)和胞嘧啶甲基化的普遍存在偏好，其中Cⁿ亞基因組啟動(dòng)子區(qū)域的DNA甲基化尤為富集。此外甘藍(lán)型油菜祖代三倍體亞基因組中的siRNA轉(zhuǎn)錄模式是保守的，而在Aⁿ和Cⁿ兩個(gè)亞基因組中不保守。從基因組縮減和多倍體化角度研究了甘藍(lán)型油菜種子的甲基化模式與基因、啟動(dòng)子區(qū)域、siRNA位點(diǎn)和轉(zhuǎn)座元件（transposable element，TE）相關(guān)。本研究為甘藍(lán)型油菜種子發(fā)育過程中選擇性沉默Cⁿ亞基因組的表觀遺傳調(diào)控提供了證據(jù)，并探討了基因組縮減對(duì)甘藍(lán)型油菜種子表觀遺傳組分的影響。

圖1：甘藍(lán)型油菜種子發(fā)育的表觀遺傳模型假設(shè)

從配子體發(fā)生（gametogenesis）到成熟期結(jié)束，種子發(fā)育可分為5個(gè)離散時(shí)期：胚珠期（ovule，OV）、球形期（globular，GLOB）、心形期（heart）、綠熟期（mature green，MG）和干種子期（dry seed，DS）。所有五個(gè)時(shí)期進(jìn)行sRNA-seq測(cè)序分析，同時(shí)對(duì)球形期（GLOB）和綠熟期（MG）的種子進(jìn)行全基因組重亞硫酸鹽測(cè)序（WGBS），GLOB期和MG期分別代表了形態(tài)發(fā)生和成熟開始的關(guān)鍵發(fā)育轉(zhuǎn)變。
共線性圖顯示了雙二倍體甘藍(lán)型油菜基因組中每條染色體最大的連續(xù)共線性區(qū)，Brassica rapa（Br）的Aⁿ亞基因組，Brassica oleracea（Bo）的Cⁿ亞基因組。
表觀遺傳保守性的假設(shè)模型——基因組的broad共線區(qū)表明兩個(gè)亞基因組之間的高度保守。這些區(qū)域的保守可能導(dǎo)致生殖中類似的表觀遺傳結(jié)構(gòu)。

研究結(jié)果
（1）甘藍(lán)型油菜種子甲基化組單堿基分辨率圖譜揭示了Cⁿ亞基因組偏好

表1：甘藍(lán)型油菜葉片、GLOB期和MG期種子基因組上1 kb窗口的甲基化百分比

圖2：甘藍(lán)型油菜種子發(fā)育中的DNA甲基化

平均胞嘧啶甲基化水平。顯示球形期（GLOB，綠色）、綠熟期（MG，藍(lán)色）和質(zhì)體（plastidial，灰色）基因組所有覆蓋胞嘧啶的平均甲基化。
甘藍(lán)型油菜Aⁿ和Cⁿ兩個(gè)亞基因組中甲基化縮減的基因組水平：最少縮減（LF）、最多縮減（MF1和MF2）。分位數(shù)箱線圖顯示在CG、CHG和CHH中，葉片、GLOB期種子和MG期種子的共線性區(qū)域1 kB窗口中的胞嘧啶甲基化水平。

（2）啟動(dòng)子元件的差異甲基化靶向參與甘藍(lán)型油菜種子碳代謝和發(fā)育的基因

圖3：在種子發(fā)育全過程中，不同基因組元件的DNA甲基化變化。

百分比堆積柱形圖顯示球形期（GLOB）種子和綠熟期（MG）種子以及葉片之間的高甲基化和低甲基化基因（GENE）、1 kb上游調(diào)控區(qū)（啟動(dòng)子，PROM）和轉(zhuǎn)座元件（transposable element,TE）。分別為GLOB期種子（橙色）或MG期種子（淺橙色）中的高甲基化，GLOB期種子（黃色）或MG期種子（淺黃色）中的低甲基化，GLOB期種子和MG期種子中的高甲基化（深藍(lán)）或低甲基化（淺藍(lán)）。
種子發(fā)育GLOB期和MG期的啟動(dòng)子差異甲基化基因GO富集分析。深色表示高度富集。

（3）相對(duì)于其他蛋白質(zhì)編碼基因，轉(zhuǎn)錄因子（TF）低甲基化

表2：RE（TE）、基因體和啟動(dòng)子元件（TSS上游1 kB窗口）、TF基因體和啟動(dòng)子以及siRNA簇的甲基化百分比

（4）縮減的基因組在基因和啟動(dòng)子上表現(xiàn)出不同的甲基化

圖4：基因組的DNA甲基化表征：基因、啟動(dòng)子區(qū)域（prom）、重復(fù)元件（RE）和siRNA位點(diǎn)。
以甘藍(lán)型油菜（Brassica napus）的縮減基因組（最少縮減(LF)、最多縮減(MF1、MF2)）及其對(duì)應(yīng)的亞基因組（A、C）劃分的箱型圖和晶須圖。

（5）種子成熟以轉(zhuǎn)錄的siRNA位點(diǎn)數(shù)量增加為表征

圖5：甘藍(lán)型油菜種子發(fā)育過程中的小干擾RNA（siRNA）reads積累

種子發(fā)育不同時(shí)期的文庫中總siRNA位點(diǎn)的reads/M（RPM）比例表現(xiàn)出出一致的Cⁿ亞基因組偏好。
在種子發(fā)育早期，較少siRNA位點(diǎn)占總reads較大比例，而reads在綠熟期（MG）比胚珠期（OV）、球形期（GLOB）、心形期（heart）分布更均勻。

（6）甘藍(lán)型油菜種子中轉(zhuǎn)座元件（TE）和基因啟動(dòng)子區(qū)域編碼大部分轉(zhuǎn)錄sRNA

圖6：由轉(zhuǎn)座元件（TE）、基因體和啟動(dòng)子編碼的小干擾RNA（siRNA）簇。

siRNA在種子發(fā)育全過程中以一致的Cⁿ亞基因組偏好性積累。
源于基因體的siRNA在DS期積累最強(qiáng)，數(shù)量少于由啟動(dòng)子區(qū)編碼的siRNA。
啟動(dòng)子區(qū)siRNA在綠熟期（MG）表達(dá)最為富集，從胚珠期（OV）到MG期表達(dá)增加。啟動(dòng)子區(qū)域比基因體編碼的siRNA表現(xiàn)出更強(qiáng)的亞基因組偏好。
對(duì)與啟動(dòng)子區(qū)域相關(guān)的編碼基因（每個(gè)種子階段最高表達(dá)的500個(gè)siRNA簇）進(jìn)行GO富集分析，該啟動(dòng)子區(qū)域編碼每個(gè)種子階段最高表達(dá)的500個(gè)siRNA簇。

（7）祖代基因組縮減對(duì)種子發(fā)育過程中的siRNA積累影響不大

圖7：種植發(fā)育OV期、GLOB期、heart期、MG期和DS期的最少縮減（LF)和最多縮減（MF1和MF2）基因組＞1 read/M（RPM）siRNA位點(diǎn)小提琴圖

（8）基因組縮減對(duì)非蛋白編碼元件的影響小于對(duì)基因體和啟動(dòng)子區(qū)域的影響

圖8：在CHG和CHH甲基化環(huán)境中，基因、啟動(dòng)子、轉(zhuǎn)座元件（TE）和小干擾（si）RNA位點(diǎn)的高度不顯著比較（P>0.1，Mann-Whitney-Wilcoxon）。
（a）球形期（GLOB）、（b）綠熟期（MG）、（c）GLOB-MG的比較。

結(jié)論
總之，本研究為甘藍(lán)型油菜種子中Cⁿ亞基因組的表觀遺傳偏好和基因組中非蛋白編碼元件的表觀遺傳調(diào)控機(jī)制提供了證據(jù)。本研究數(shù)據(jù)表明，基因組縮減并沒有實(shí)質(zhì)性地改變轉(zhuǎn)座子和種子發(fā)育過程中calling的siRNA甲基化譜。種子的表觀遺傳結(jié)構(gòu)可能是決定甘藍(lán)型油菜進(jìn)化軌跡的重要因素，尤其與多倍體作物相關(guān)。

參考文獻(xiàn)：Ziegler DJ, Khan D, Pulgar-Vidal N, Parkin IAP, Robinson SJ, Belmonte MF. Genomic asymmetry of the Brassica napus seed: epigenetic contributions of DNA methylation and small RNAs to subgenome bias. Plant J. 2023 May 17. doi: 10.1111/tpj.16254. PubMed PMID: 37195091.

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