研究所用的二、四倍體水稻的形態(tài)學(xué)與細(xì)胞學(xué)差異示意圖
多倍化又稱全基因組重復(fù)，在植物、動(dòng)物和真菌中都經(jīng)常發(fā)生。所有被子植物在進(jìn)化過程中都至少經(jīng)歷過一次多倍化事件，顯示出多倍化事件在植物進(jìn)化中起到的關(guān)鍵作用。多倍化事件產(chǎn)生了大量新的遺傳材料，增加了基因組復(fù)雜性，為現(xiàn)存植物的成功進(jìn)化提供了重要基礎(chǔ)。多倍化會(huì)給基因組造成強(qiáng)烈的沖擊和長期深遠(yuǎn)的影響，多倍化事件發(fā)生后植物基因組的進(jìn)化是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程。因此，可以將多倍化事件發(fā)生后基因組的進(jìn)化視為基因組對(duì)多倍化事件的應(yīng)答并區(qū)分為短期效應(yīng)和長期效應(yīng)。無論短期效應(yīng)還是長期效應(yīng)，表觀遺傳修飾都會(huì)對(duì)基因組的變化產(chǎn)生影響。
中國科學(xué)院昆明植物研究所研究員高立志帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)，與華南農(nóng)業(yè)大學(xué)教授劉向東合作，針對(duì)表觀遺傳修飾中的核心內(nèi)容之一??DNA甲基化，采用人工合成第48世代的同源四倍體水稻（Oryzasativassp.indica,2n=48）及其對(duì)應(yīng)世代的親本二倍體秈稻矮腳南特為材料，利用亞硫酸氫鹽轉(zhuǎn)化測序、小RNA測序、轉(zhuǎn)錄組測序等方法，在全基因組水平上開展了多倍化事件發(fā)生后DNA甲基化變異與基因組短期效應(yīng)關(guān)系的研究。
結(jié)果表明，二、四倍體水稻的大部分基因表達(dá)水平?jīng)]有差異，四倍體水稻沒有因?yàn)榛蚩截悢?shù)目的倍增而表現(xiàn)出劑量效應(yīng)。轉(zhuǎn)座子DNA甲基化水平在基因組范圍內(nèi)表現(xiàn)出廣泛的差異，四倍體水稻DNA轉(zhuǎn)座子的CHG和CHH甲基化水平普遍升高，同時(shí)伴隨著siRNAs豐度的增加。DNA轉(zhuǎn)座子甲基化水平的升高抑制轉(zhuǎn)座子鄰近基因的表達(dá)，使得盡管四倍體水稻基因的拷貝數(shù)目增加但大部分基因表達(dá)量維持在與二倍體相當(dāng)?shù)乃�，表現(xiàn)出劑量補(bǔ)償效應(yīng)。這一結(jié)果意味著多倍化對(duì)基因組造成的沖擊帶來了轉(zhuǎn)座子DNA甲基化水平的變異，大量地分布在常染色質(zhì)區(qū)域的DNA轉(zhuǎn)座子甲基化水平的升高，很可能干擾了DNA轉(zhuǎn)座子周圍基因的表達(dá)，使得新產(chǎn)生的四倍體中絕大部分基因的表達(dá)水平與二倍體基因的表達(dá)水平相當(dāng)，有利于緩沖多倍化剛發(fā)生時(shí)基因組即刻倍增與細(xì)胞環(huán)境結(jié)構(gòu)不能迅速增加之間的矛盾，這可能是新產(chǎn)生的多倍體適應(yīng)基因組加倍沖擊而成功存活的一條有效途徑。該研究成果首次為多倍化事件發(fā)生后植物基因組進(jìn)化受表觀遺傳修飾影響的研究提供了重要的理論基礎(chǔ)。
該成果以Autotetraploidricemethylomeanalysisrevealsmethylationvariationoftransposableelementsandtheireffectsongeneexpression為題發(fā)表于國際期刊《美國國家科學(xué)院院刊》（ProceedingsoftheNationalAcademyofSciencesoftheUnitedStatesofAmerica）。
該研究得到了云南省高端人才項(xiàng)目、云南省海外高層次人才引進(jìn)計(jì)劃、云南省創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)、中國科學(xué)院“百人計(jì)劃”和國家自然科學(xué)基金的聯(lián)合支持。
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