棉花雜交種與親本間DNA胞嘧啶甲基化及其基因差異表達(dá)分析.pdf

1、利用雜種優(yōu)勢(shì)可以提高作物產(chǎn)量，節(jié)約土地資源，并創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，是遺傳學(xué)應(yīng)用于實(shí)踐最成功的范例之一。對(duì)雜種優(yōu)勢(shì)機(jī)理的研究已將近一個(gè)世紀(jì)，然而在許多方面仍然是一個(gè)謎。棉花是世界上最重要的紡織作物，在世界經(jīng)濟(jì)、政治、以及社會(huì)事務(wù)中起了很重要的作用。雜交棉在中國(guó)和印度已經(jīng)得到廣泛的商業(yè)化利用，并研究了許多年。然而到目前為止，關(guān)于棉花雜種優(yōu)勢(shì)的分子方面的研究報(bào)道卻很少。本研究以不同優(yōu)勢(shì)棉花雜交組合為材料，系統(tǒng)研究了它們?cè)跔I(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)、產(chǎn)量

2、及品質(zhì)性狀以及根系性狀上的雜種優(yōu)勢(shì)，然后進(jìn)一步分析了不同發(fā)育階段棉花雜交種和親本間的 DNA 甲基化差異以及基因表達(dá)差異，最后將基因差異表達(dá)模式與產(chǎn)量性狀的表現(xiàn)及雜種優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了相關(guān)分析，分別從表觀遺傳調(diào)控和功能基因轉(zhuǎn)錄水平對(duì)雜種優(yōu)勢(shì)的分子機(jī)理進(jìn)行了探討。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果和主要結(jié)論如下： 1.以同一母本與兩個(gè)不同的父本雜交獲得兩個(gè)雜交組合，經(jīng)田間比較試驗(yàn)，結(jié)果表明，組合石遠(yuǎn)345×CRI41是一個(gè)優(yōu)勢(shì)比較高的雜交組合，其優(yōu)勢(shì)不僅表現(xiàn)在營(yíng)

3、養(yǎng)生長(zhǎng)和一些產(chǎn)量相關(guān)性狀上，而且還表現(xiàn)在根系性狀上；而組合石遠(yuǎn)345×SGK321是一個(gè)在地上部的優(yōu)勢(shì)相對(duì)比較低的組合，但是在某些根系性狀上卻存在比較高的雜種優(yōu)勢(shì)。 2.為探討DNA甲基化與雜種優(yōu)勢(shì)的關(guān)系，采用甲基化敏感的擴(kuò)增多態(tài)性技術(shù)(MSAP)，以雜交組合石遠(yuǎn)345×CRI41和石遠(yuǎn)345×SGK321為材料，分析了花期階段這兩個(gè)雜交組合中雜交種和雙親中的胞嘧啶甲基化水平。結(jié)果表明棉花基因組中至少有20％的CCGG位點(diǎn)發(fā)生胞

4、嘧啶甲基化。 3.依據(jù)特定位點(diǎn)的胞嘧啶甲基化從親本向雜交種的遺傳及其變異，我們比較了雜交種與親本之間的胞嘧啶甲基化模式。研究結(jié)果表明雜交種與其雙親相比，發(fā)生了廣泛的胞嘧啶甲基化變化，這種變化包括超甲基化和去甲基化同時(shí)還包括甲基化類型的潛在轉(zhuǎn)變(如從外部胞嘧啶甲基化到內(nèi)部胞嘧啶甲基化的轉(zhuǎn)變或從內(nèi)部胞嘧啶甲基化到外部胞嘧啶甲基化的轉(zhuǎn)變)；對(duì)于表現(xiàn)出雜交種相對(duì)于親本的甲基化水平降低的類型，在高優(yōu)勢(shì)組合石遠(yuǎn)345/ CRI41 (Hyb

5、rid A)中的去甲基化位點(diǎn)數(shù)高于在低優(yōu)勢(shì)組合石遠(yuǎn)345/SGK321(Hybrid B)中的去甲基化位點(diǎn)數(shù)。盡管有一類表現(xiàn)為在雜交種中的甲基化水平升高，但是這些超甲基化位點(diǎn)僅僅占兩個(gè)雜交組合中總多態(tài)性位點(diǎn)數(shù)的很少一部分。 4.通過(guò)對(duì)三個(gè)親本系和兩個(gè)雜交種在苗期階段和花期階段的5′-CCGG 位點(diǎn)的胞嘧啶甲基化進(jìn)行總體分析，發(fā)現(xiàn)花期階段比苗期階段有更多的位點(diǎn)發(fā)生去甲基化。說(shuō)明棉花中的胞嘧啶甲基化具有組織特異性。 5.存在

6、于低拷貝基因組區(qū)域的胞嘧啶甲基化變化可以被 Southern 雜交證實(shí)。對(duì)雜交種相對(duì)于親本表現(xiàn)甲基化變化的位點(diǎn)進(jìn)行測(cè)序表明同功能已知的基因同源，包括轉(zhuǎn)錄調(diào)控、信號(hào)識(shí)別、富含亮氨酸重復(fù)、鈣離子通道、類PDR的ABC轉(zhuǎn)移、同工酶、脫羧酶、磷酸酶以及ATP酶等。 6.以高優(yōu)勢(shì)組合石遠(yuǎn)345×CRI41和低優(yōu)勢(shì)組合石遠(yuǎn)345×SGK321的葉片組織為材料，用mRNA差異顯示方法分析了兩個(gè)雜交組合的雜交種與其親本在苗期階段、蕾期階段、花期

7、階段和鈴期階段的基因表達(dá)差異，結(jié)果表明兩個(gè)棉花雜交種與其親本間在四個(gè)階段均存在顯著的基因表達(dá)差異，既觀察到量上的表達(dá)差異也觀察到質(zhì)上的表達(dá)差異，而主要的基因表達(dá)差異發(fā)生在質(zhì)的水平，包括：(ⅰ)雙親共沉默型，即該條帶在雙親都有，而F<,1>中沒(méi)有(BPnF<,1>)；(ⅱ)單親表達(dá)沉默型，即該條帶僅出現(xiàn)親本之一，而在另一親本和F1中沒(méi)有出現(xiàn)(UPnF<,1>)；(ⅲ)雜種特異表達(dá)型，即該條帶僅在F<,1>中出現(xiàn)，在雙親中均不出現(xiàn)(UF<,

8、1>nP)；(ⅳ)單親表達(dá)一致型，即該條帶在雙親之一和雜種中出現(xiàn)，而在另一親本中不出現(xiàn)(UPF<,1>)。 7.進(jìn)一步分析了質(zhì)的差異表達(dá)模式在不同階段的變化，結(jié)果表明差異模式的數(shù)量在不同階段是變化的，而花期階段的差異模式的數(shù)量要相對(duì)高于其它階段，暗示了花期階段的基因差異表達(dá)在雜交種的產(chǎn)量形成和優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)上起了關(guān)鍵的作用。同時(shí)在花期階段，UF<,1>nP 和 UPF<,1>模式(分別代表雜種特異表達(dá)或超顯性表達(dá)和顯性表達(dá))在高優(yōu)勢(shì)雜

9、交種中的數(shù)量要比低優(yōu)勢(shì)雜交種高得多，這表明在花期階段更高水平的這兩種模式可能與雜種優(yōu)勢(shì)具有正向的相關(guān)關(guān)系。 8.最后以一套雙列雜交組合(24個(gè)F<,1>，10個(gè)親本)在盛花期的葉片為材料，用差異顯示法進(jìn)一步分析了四種質(zhì)的差異模式的數(shù)量。以差異模式的數(shù)量為變量，與棉花5個(gè)產(chǎn)量性狀(子棉產(chǎn)量、皮棉產(chǎn)量、鈴數(shù)、鈴重和衣分)的雜種表現(xiàn)、雜種優(yōu)勢(shì)進(jìn)行相關(guān)分析的結(jié)果表明：?jiǎn)斡H基因表達(dá)一致模式(UPF<,1>)與雜種產(chǎn)量性狀中單位面積鈴數(shù)呈顯