盐、碱胁迫下柽柳全基因组DNA甲基化变异及转座子活性研究

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土壤盐渍化是人类面临的一个全球性问题。研究并揭示耐盐、碱植物在进化过程中产生的适应性及其特有的耐受机制对于改善土壤盐渍化和提高植物甚至作物的耐受性具有重要意义。柽柳作为一种先锋树种,可在重度盐、碱地上正常生长,是研究耐盐、碱植物适应机制的重要材料。大量研究表明,在植物适应非生物胁迫的过程中,表观遗传修饰起到非常重要的调节作用,但关于柽柳耐盐、碱胁迫的表观遗传学机制的研究尚未见报道。本研究以柽柳为材料,以不同盐浓度(100 m M、200 m M、300 m M、400 m M)和碱浓度(50 m M、100 m M、150 m M、200 m M)处理柽柳,研究在盐、碱胁迫下柽柳的全基因组DNA甲基化模式和规律,寻找可能响应盐、碱胁迫的表观遗传修饰位点/基因,并对柽柳转座子活性分析。获得如下结果:1.盐胁迫早期(5d),柽柳无明显的表型变化,随处理时间的增加(20d),叶片开始出现褪绿现象,且高浓度胁迫下叶片出现发黄、变干的现象。相比于盐胁迫处理,碱胁迫早期(5d),柽柳无明显的表型变化。胁迫处理10天时,高浓度胁迫下(150 m M、200 m M)叶片已开始出现褪绿现象,且随着天数的增加,柽柳叶片发干、变脆、变黄程度逐渐加深。相同盐、碱浓度胁迫下柽柳表现出较强的耐盐特性。2.MSAP结果表明盐、碱胁迫分别诱导柽柳发生全基因组范围内广泛的的去甲基化和超甲基化的变化。盐诱导的全基因组DNA甲基化水平由20.05%下降到16.37%,碱诱导的全基因组DNA甲基化水平由20.60%上升到23.94%。3.盐、碱胁迫下柽柳均以去甲基化变异为主,分别占总位点的5.40%~9.00%、2.44%~5.46%,发生超甲基化占总位点分别为0.94%~6.51%、2.52%~4.48%,变异主要发生在CNG位点上。且甲基化变异程度与盐、碱胁迫浓度呈正相关。4.通过对盐胁迫下120条甲基化变异条带回收测序,获得81条甲基化变异序列,其中12条与已知功能序列相关,这些序列广泛参与到多种细胞功能中,如:紫色酸性磷酸酶、锌指蛋白家族基因、氨基酸转运蛋白、苏氨酸蛋白激酶、ATP依赖性蛋白等。对碱胁迫下105条甲基化变异条带回收测序,获得68条甲基化变异序列,其中6条与已知功能序列相关,这些序列广泛参与到多种细胞功能中,如:蛋白激酶、膜金属蛋白酶、钙依赖蛋白激酶和ATP依赖性蛋白等。5.由于非生物胁迫可以诱导反转座子的表达激活,进而改变侧翼基因的表达。因此我们对盐、碱胁迫下柽柳基因组LTR类反转座子进行了测序研究,扩增子测序及随后的序列特征分析表明,盐、碱胁迫处理可分别诱导改变634类、181类LTR类反转座子的活性,共包括Ty1-copia反转座子为671类,Ty3-gypsy反转座子为144类。此外,Ty1-copia型反转座子中有74类在盐、碱胁迫中共同响应,Ty3-gypsy型反转座子中仅有4类在在盐、碱胁迫中共同响应。通过盐、碱胁迫下发生差异表达的LTR类反转座子系统发育分析表明,Ty1-copia反转座子多为TAR亚族和Bianca亚族,Ty3-gypsy反转座子为Tat亚族,说明对其响应的种类不同。此外,通过序列相似性比对发现盐诱导下有活性的LTR类反转座子与碱诱导下有活性的LTR类反转座子存在极高的相似性,但也存在一定的差异性。
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