棉花雜交種與親本間DNA胞嘧啶甲基化及其基因差異表達分析.pdf

1、利用雜種優(yōu)勢可以提高作物產(chǎn)量，節(jié)約土地資源，并創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟和社會效益，是遺傳學應用于實踐最成功的范例之一。對雜種優(yōu)勢機理的研究已將近一個世紀，然而在許多方面仍然是一個謎。棉花是世界上最重要的紡織作物，在世界經(jīng)濟、政治、以及社會事務中起了很重要的作用。雜交棉在中國和印度已經(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，關于棉花雜種優(yōu)勢的分子方面的研究報道卻很少。本研究以不同優(yōu)勢棉花雜交組合為材料，系統(tǒng)研究了它們在營養(yǎng)生長、產(chǎn)量

2、及品質(zhì)性狀以及根系性狀上的雜種優(yōu)勢，然后進一步分析了不同發(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差異，最后將基因差異表達模式與產(chǎn)量性狀的表現(xiàn)及雜種優(yōu)勢進行了相關分析，分別從表觀遺傳調(diào)控和功能基因轉(zhuǎn)錄水平對雜種優(yōu)勢的分子機理進行了探討。其實驗結(jié)果和主要結(jié)論如下： 1.以同一母本與兩個不同的父本雜交獲得兩個雜交組合，經(jīng)田間比較試驗，結(jié)果表明，組合石遠345×CRI41是一個優(yōu)勢比較高的雜交組合，其優(yōu)勢不僅表現(xiàn)在營

3、養(yǎng)生長和一些產(chǎn)量相關性狀上，而且還表現(xiàn)在根系性狀上；而組合石遠345×SGK321是一個在地上部的優(yōu)勢相對比較低的組合，但是在某些根系性狀上卻存在比較高的雜種優(yōu)勢。 2.為探討DNA甲基化與雜種優(yōu)勢的關系，采用甲基化敏感的擴增多態(tài)性技術(MSAP)，以雜交組合石遠345×CRI41和石遠345×SGK321為材料，分析了花期階段這兩個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位點發(fā)生胞

4、嘧啶甲基化。 3.依據(jù)特定位點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)；對于表現(xiàn)出雜交種相對于親本的甲基化水平降低的類型，在高優(yōu)勢組合石遠345/ CRI41 (Hyb

5、rid A)中的去甲基化位點數(shù)高于在低優(yōu)勢組合石遠345/SGK321(Hybrid B)中的去甲基化位點數(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僅僅占兩個雜交組合中總多態(tài)性位點數(shù)的很少一部分。 4.通過對三個親本系和兩個雜交種在苗期階段和花期階段的5′-CCGG 位點的胞嘧啶甲基化進行總體分析，發(fā)現(xiàn)花期階段比苗期階段有更多的位點發(fā)生去甲基化。說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。對雜交種相對于親本表現(xiàn)甲基化變化的位點進行測序表明同功能已知的基因同源，包括轉(zhuǎn)錄調(diào)控、信號識別、富含亮氨酸重復、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)勢組合石遠345×CRI41和低優(yōu)勢組合石遠345×SGK321的葉片組織為材料，用mRNA差異顯示方法分析了兩個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差異，結(jié)果表明兩個棉花雜交種與其親本間在四個階段均存在顯著的基因表達差異，既觀察到量上的表達差異也觀察到質(zhì)上的表達差異，而主要的基因表達差異發(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>中沒有(BPnF<,1>)；(ⅱ)單親表達沉默型，即該條帶僅出現(xiàn)親本之一，而在另一親本和F1中沒有出現(xiàn)(UPnF<,1>)；(ⅲ)雜種特異表達型，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.進一步分析了質(zhì)的差異表達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)量要相對高于其它階段，暗示了花期階段的基因差異表達在雜交種的產(chǎn)量形成和優(yōu)勢表現(xiàn)上起了關鍵的作用。同時在花期階段，UF<,1>nP 和 UPF<,1>模式(分別代表雜種特異表達或超顯性表達和顯性表達)在高優(yōu)勢雜

9、交種中的數(shù)量要比低優(yōu)勢雜交種高得多，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)勢具有正向的相關關系。 8.最后以一套雙列雜交組合(24個F<,1>，10個親本)在盛花期的葉片為材料，用差異顯示法進一步分析了四種質(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)勢進行相關分析的結(jié)果表明：單親基因表達一致模式(UPF<,1>)與雜種產(chǎn)量性狀中單位面積鈴數(shù)呈顯