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1、玉米节间伸长过程中相关基因甲基化及表达分析表观遗传修饰是一种DNA序列不发生变化的情况下, 通过对 DNA或组蛋白的修饰调节性状表现的一种可遗传的现象, 表观遗传修饰参与基因的表达调控。其中 DNA甲基化作为表观遗传的重要修饰方式之一 , 在植物生长发育、基因组印记和对逆境胁迫的应答等方面发挥重要作用。本试验针对玉米 B73 拔节这一伴随着急剧的形态和生理改变的发育时期 , 对未伸长节间 (BE) 和伸长节间 (AE1) 进行细胞学观察 , 选择未伸长和伸长中两个节间组织材料进行 DNA甲基化和基因表达分析。采用甲基化免疫共沉淀 (Me-DIP)技术全基因组分析DNA甲基化状态和两个供试组织间
2、的DNA甲基化差异 , 利用亚硫酸盐测序技术对部分甲基化差异区域进行精细分析；利用 RNA-seq技术分析各组织材料中的基因表达 , 采用 RT-PCR和 QPCR方法进一步分析 DNA甲基化差异基因的表达水平；结合 DNA甲基化与基因表达数据解析可能影响玉米节间伸长的甲基化调控模型。主要研究结果如下： 1. 细胞形态学观察表明 , 未伸长的节间细胞长约40m,伸长中节间 (AE1) 约 120m,供试的两份玉米节间组织的细胞长度差异显著(p=1.1e-18),说明节间细胞伸长是影响玉米节间组织伸长的一个主要原因, 也说明 BE和 AE1适合本试验甲基化与基因表达的分析。 2.Me-DIP 结
3、果分析发现基因区甲基化要高于启动子；在基因区内含子甲基化水平最高。在 BE和 AE1节间细胞间共检测到 2597 个甲基化差异基因 (differentially methylated genes, DMGs)。这些 DMGs主要参与到了植物激素与信号传导相关代谢通路。例如 , 在伸长的节间细胞中 ,3- 甲基吲哚乙酸通路相关基因的启动子发生了明显的去甲基化 , 而乙烯生物合成通路相关基因启动子甲基化水平明显升高。3.对 36 个 DMGs亚硫酸盐测序 (BSP)发现 ,11 个 DMGs在拔节前后基因甲基化整体水平发生显著改变 (p<0.05) 。DMGs中主要的甲基化差异类型为 CH
4、H(50%),其次是 CHG(28.6%), CG改变最低 , 为 21.4%。4. RNA-seq 揭示 , 在 BE和 AE1细胞间 ,1246 个基因的表达具有显著差异 (p<0.05), 仅 96 个 DEGs与 DMGs重叠。这些差异表达基因中 , 只有约 3.7%(96/2596) 的基因表达受甲基化改变的显著调控。 RT-PCR和 QPCR分析表明 , 被检测基因在不同节间伸长阶段表达水平各不相同 , 但在节间组织快速生长的 AE1阶段 , 绝大部分的候选基因表达水平高 , 而到玉米节间伸长中后期 , 基因表达下降并趋于稳定。结合 DNA甲基化和基因表达结果表明 , 启动子区的甲基化对基因表达的抑制作用更为明显。 5. 生物信息学分析发现 ,BE 节间组织中部分甲基化基因直接参与细胞的形成与分裂 , 而大多数基因参与细胞信号传导 ( 磷酸化等 ) 和代谢 ( 糖合成代谢等 ) 的转录调控。随着节间细胞的伸长 (AEl), 参与细胞合成和细胞代谢以及信号转导等途径基因减少 , 更多的基因参与到植物体内的氧化还原代谢。这说明随着玉米节间组织的伸长 , 一部分属于细胞组成的基因通过发生选择性的去甲基化修饰 , 并利用BE时期积累的物质和能量进行细胞增大和伸长从而促进玉米节间组织的伸长。