【原】易基因｜作物育種：DNA甲基化在大豆優(yōu)良品種培育中的作用研究成果

深圳易基因科技 2022-08-09 發(fā)布于廣東

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大家好，這里是專注表觀組學(xué)十余年，領(lǐng)跑多組學(xué)科研服務(wù)的易基因。

多項(xiàng)研究表明，DNA甲基化對(duì)植物的育種、生長(zhǎng)發(fā)育、疾病抗性等方面起到了重要的調(diào)控作用。近年來(lái)，DNA甲基化在植物育種領(lǐng)域的研究進(jìn)展極為迅速。本期我們對(duì)DNA甲基化在農(nóng)作物大豆馴化改良中的變異機(jī)制研究成果進(jìn)行解讀，并對(duì)DNA甲基化在植物育種中的作用研究套路進(jìn)行總結(jié)，一起看看吧。

標(biāo)題：DNA methylation footprints during soybean domestication and improvement（DNA甲基化在大豆馴化改良中的變化足跡）

發(fā)表期刊：Genome Biology

發(fā)表日期：2018年09月

影響因子：17.906

方法：WGBS，重測(cè)序分析

摘要：

除了遺傳變異，表觀遺傳也在決定各種生物過(guò)程中也起著非常重要的作用。目前自然遺傳變異對(duì)作物馴化改良的重要性已有廣泛研究。然而，在群體水平上，表觀遺傳變異在作物馴化改良中的作用還少有報(bào)道。

為了解表觀遺傳學(xué)在作物馴化改良過(guò)程中的作用，作者利用全基因組重亞硫酸鹽測(cè)序（WGBS）對(duì)45份大豆品種（9個(gè)野生品種、12個(gè)農(nóng)家品種和24個(gè)栽培品種）進(jìn)行研究，分析了大豆馴化改良過(guò)程中的DNA甲基化變化。通過(guò)亞群之間的甲基化水平比較分析，作者鑒定出5412個(gè)差異甲基化區(qū)域（Differentially Methylated Regions ，DMRs），其中從野生種到農(nóng)家種的馴化過(guò)程種鑒定出4248個(gè)DMRs，從農(nóng)家種到栽培種的改良過(guò)程中鑒定出1164個(gè)DMRs。這些DMR表現(xiàn)出不同于DNA選擇區(qū)域（DNA seleciton region, DSR）的特征，它們長(zhǎng)度差異顯著、極少重疊、染色體分布沒(méi)有相關(guān)性、基因組結(jié)構(gòu)組成差異大，并且DMR含有明顯高的核苷酸多態(tài)性，具有顯著更高的遺傳多樣性。

作者將DNA差異甲基化區(qū)域（DMR）與其周圍的遺傳變異（siRNA、TE變異和SNP）進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，結(jié)果表明只有22.54%的DMR可以由遺傳變異解釋，說(shuō)明大豆馴化改良過(guò)程中大部分DMR是DNA甲基化被獨(dú)立選擇的結(jié)果。對(duì)這些不與遺傳變異關(guān)聯(lián)的“獨(dú)立”DMR的功能進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，與“獨(dú)立”DMR特別是馴化過(guò)程中的“獨(dú)立”CG-DMR重疊的基因（與任何遺傳變異無(wú)關(guān)）在碳水化合物通路中顯著富集，并且編碼通路中的所有關(guān)鍵調(diào)控酶。

本研究繪制了一個(gè)跨不同大豆品種的非常有價(jià)值的DNA甲基化圖譜，并剖析了大豆馴化改良過(guò)程中DNA甲基化變異與遺傳變異之間的關(guān)系，拓寬了對(duì)大豆馴化改良的理解，為DNA甲基化在大豆馴化過(guò)程中的生物學(xué)作用提供了重要的證據(jù)。

圖1：差異甲基化區(qū)域 (DMR) 檢測(cè)，DMR與DSR比較

圖2：不同胞嘧啶環(huán)境中表征 DMR

圖3：DMR與遺傳變異的關(guān)聯(lián)研究

圖4：“Pure Dos_CG-DMR”重疊基因的KEGG富集分析

易基因小結(jié)：

本研究從群體水平對(duì)表觀遺傳學(xué)在農(nóng)作物馴化改良中的作用機(jī)制進(jìn)行解析，證明了DNA甲基化可以獨(dú)立于DNA變異在作物馴化過(guò)程中發(fā)揮作用，表明表觀遺傳（DNA甲基化）變異可以作為一種新的遺傳資源，為培育更優(yōu)良品種作物提供新思路。

關(guān)于植物DNA甲基化研究

（1）植物中的DNA甲基化

對(duì)于植物而言，面對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境的改變，表觀遺傳的變異會(huì)改變植物DNA的構(gòu)象，從而改變?nèi)旧|(zhì)和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，達(dá)到調(diào)節(jié)基因組的作用。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)植物面臨生物脅迫和非生物脅迫時(shí)，植物基因組中DNA甲基化會(huì)發(fā)生改變，并且這些改變會(huì)遺傳給后代。所以DNA甲基化的改變能夠豐富植物物種的多樣性，加強(qiáng)植物的環(huán)境適應(yīng)性。

不同于哺乳動(dòng)物基因組只有CG甲基化，植物基因組甲基化有CG，CHG，CHH（H代表任何非G的堿基）甲基化。而維持這三種不同的DNA甲基化的分子機(jī)制非常復(fù)雜。

（2）植物中的DNA甲基化研究技術(shù)

（3）植物DNA甲基化研究思路

植物DNA甲基化一般遵循三個(gè)步驟進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘。首先，進(jìn)行整體全基因組甲基化變化的分析，包括平均甲基化水平變化、甲基化水平分布變化、降維分析、聚類分析、相關(guān)性分析等。其次，進(jìn)行甲基化差異水平分析，篩選具體差異基因，包括DMC/DMR/DMG鑒定、DMC/DMR在基因組元件上的分布、DMC/DMR的TF結(jié)合分析、時(shí)序甲基化數(shù)據(jù)的分析策略、DMG的功能分析等。最后，將甲基化組學(xué)&轉(zhuǎn)錄組學(xué)關(guān)聯(lián)分析，包括Meta genes整體關(guān)聯(lián)、DMG-DEG對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)、網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)等。