多組學(xué)數(shù)據(jù)揭示棉花纖維發(fā)育的遺傳學(xué)和表觀遺傳學(xué)基礎(chǔ).pdf

1、棉花是世界上重要的經(jīng)濟(jì)作物，棉花纖維是重要的天然紡織纖維。棉花纖維作為高度分化的單細(xì)胞，是研究細(xì)胞分化、細(xì)胞伸長和細(xì)胞壁合成的良好模型。本研究以組裝和分析海島棉基因組為基礎(chǔ)，分析棉花纖維馴化歷程和鑒定控制纖維品質(zhì)性狀形成的重要位點(diǎn)，并且分析纖維發(fā)育過程中的長鏈非編碼RNA，進(jìn)一步比較纖維和非纖維組織中可變剪接的差異，最后結(jié)合多組學(xué)數(shù)據(jù)，從表觀遺傳角度揭示纖維發(fā)育的動態(tài)過程。主要結(jié)果如下:
　　1.海島棉基因組測序和纖維細(xì)胞壁合成的

2、重要基因家族分析
　　本研究利用全基因組鳥槍法測序拼接四倍體海島棉基因組。海島棉基因組編碼80876個(gè)基因，含有69％以上的重復(fù)序列。通過分析纖維素合酶（CesA）基因家族在棉花中的進(jìn)化和各個(gè)成員在纖維發(fā)育過程中的表達(dá)模式，我們創(chuàng)造性地提出海島棉纖維發(fā)育過程中CesA基因家族的接力模型，即At、Dt亞基因組合作調(diào)控四倍體棉花纖維發(fā)育。研究重點(diǎn)分析了果膠去甲酯化酶(PME)和果膠去甲酯化酶抑制基因家族(PMEI)，發(fā)現(xiàn)PME的進(jìn)化起

3、源與細(xì)胞壁中果膠出現(xiàn)的時(shí)間一致。此外，研究發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)基因家族在高等植物中大量擴(kuò)增，并且進(jìn)化速率很快。我們推測PMEI結(jié)構(gòu)域的起源可能是全基因組復(fù)制之后pro結(jié)構(gòu)域的新功能化。這些結(jié)果促進(jìn)了棉花基因組研究，加深了對植物細(xì)胞壁進(jìn)化的理解。
　　2.基因組重測序揭示了大量變異，這些變異是棉花馴化和順式調(diào)控分化的基礎(chǔ)
　　本研究收集了352份陸地棉材料，包括半野生種和馴化種，構(gòu)建了一個(gè)綜合性的基因組變異圖譜。研究鑒定了93個(gè)馴化選擇

4、區(qū)域，覆蓋At亞基因組的74 Mb，Dt亞基因組的104 Mb，同時(shí)通過全基因組關(guān)聯(lián)分析鑒定了19個(gè)與纖維品質(zhì)性狀相關(guān)的候選位點(diǎn)。結(jié)果表明長纖維的馴化與非對稱的亞基因組選擇相關(guān)。通過系統(tǒng)地分析DNaseⅠ酶切超敏感位點(diǎn)和三維基因組圖譜，我們將一些可能存在的功能變異與基因轉(zhuǎn)錄聯(lián)系起來，從而揭示了馴化對群體順式調(diào)控元件分化的影響。本研究提出了一個(gè)重要作物中基因組的進(jìn)化、調(diào)控和適應(yīng)的新觀點(diǎn)，為基于基因組的棉花遺傳改良提供了豐富資源。
　

5、　3.棉花長鏈非編碼RNA的鑒定和在纖維中的功能分析
　　通過整合大量的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，本研究鑒定了30550個(gè)基因間區(qū)的長鏈非編碼RNA(lincRNA)和4718個(gè)反義長鏈非編碼RNA(lncNAT)位點(diǎn)。lncRNA的表達(dá)量比較低，并且大多數(shù)呈現(xiàn)出組織特異性表達(dá)模式。與蛋白質(zhì)編碼基因相比，lncRNA在基因區(qū)域的甲基化水平明顯更高，并且其表達(dá)水平受基因區(qū)域甲基化影響較小。我們利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一部分在棉花纖維發(fā)育起始期表達(dá)的lncR

6、NA，發(fā)現(xiàn)這些lncRNA在纖維發(fā)育突變體和正常表型材料中差異表達(dá)，推測其可能與棉花纖維起始相關(guān)。最后，我們構(gòu)建了共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)，對在纖維伸長和次生壁合成時(shí)期的lncRNA進(jìn)行功能注釋。
　　4.棉花可變剪接圖譜的建立及其復(fù)雜性和調(diào)控機(jī)制
　　本研究利用單分子長讀段轉(zhuǎn)錄本測序技術(shù)(Iso-Seq)對海島棉進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測序，開發(fā)了一套分析Iso-Seq數(shù)據(jù)的流程。我們從44968個(gè)基因中鑒定了176849個(gè)全長轉(zhuǎn)錄本，并更新了基因模

7、型;同時(shí)，鑒定了15102個(gè)纖維特異的可變剪接事件，估計(jì)大約51.4％的亞基因組間的同源基因會通過可變剪接產(chǎn)生結(jié)構(gòu)差異的轉(zhuǎn)錄本。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，同一個(gè)基因由可變剪接產(chǎn)生的轉(zhuǎn)錄本會受到miRNA的差異性調(diào)控。最后，我們發(fā)現(xiàn)核小體密度和DNA甲基化會在染色質(zhì)水平定義外顯子。本研究揭示了四倍體棉花中可變剪接的復(fù)雜性和新的調(diào)控機(jī)制，進(jìn)一步增強(qiáng)了人們對多倍體植物中可變剪接的認(rèn)識。
　　5.棉花纖維發(fā)育動態(tài)表觀組的建立和重要調(diào)控基因分析

8、>　　本研究建立了棉花纖維發(fā)育過程中的動態(tài)DNA甲基化組。隨著纖維發(fā)育，DNA甲基化的比例會逐漸升高，呈現(xiàn)出與RNA介導(dǎo)的DNA甲基化相反的趨勢。核小體定位分析表明發(fā)育中的纖維不斷異染色質(zhì)化，其可能與DNA甲基化的動態(tài)變化相關(guān)。絕大部分DNA高甲基化是由H3K9me2依賴的途徑建立，與RNA介導(dǎo)的DNA甲基化不相關(guān)。通過分析四倍體棉花At和Dt亞組同源基因甲基化和表達(dá)量之間的關(guān)系，我們推測不同亞組基因的表觀修飾差異可能會是基因偏向性表達(dá)