小麦二倍体祖先种胚乳印迹基因的克隆鉴定及功能分析

Wheat (Triticum aestivum）is one of the most widely grown crop in the world, providing approximately 55% carbohydrates for the daily human diet. Genomic imprinting is a form of allele-biased expression involving the uniparental transcription of select genes in a parent-of-origin manner, and it plays a crucial role in plant endosperm development. In this project, we will perform a high-throughput transcriptome sequencing on reciprocal crossed, developing endosperms at 10DAP(days after pollination), 15DAP and 20DAP by using diploid wheat with genome A and D. We will predict candidate imprinted genes on genomic level with bioinformatics pipeline and analyze their dynamic expression pattern during endosperm development. Moreover, to understand the mechanism underlying imprinting, we will investigate their differences on DNA methylation and histone modification level between parental alleles. Additionally, the conservation of imprinting among different species, two diploid wheat as well as three homeologous alleles in hexaploid wheat will be estimated. Based on the previous studies, we hypothesize that gene imprinting is involved in regulating wheat endosperm development, so we will perform functional analysis of 1-2 candidates through transgene method. The proposed research will advance our understanding on the number, expression and evolution pattern of imprinted genes in wheat, and how the imprinted genes influence wheat endosperm development. If this project is financially supported, we will publish 1-2 SCI papers and train 2-3 Ph.D students.

本申请课题拟以小麦二倍体祖先种乌拉尔图小麦和粗山羊草为材料，利用高通量测序技术，综合采用遗传学、分子生物学及生物信息学多学科交叉手段，从全基因组水平上明确印迹基因的数目、模式及功能类别，分析其在不同小麦二倍体祖先种中的异同，并探讨部分印迹基因在六倍体小麦背景下的印迹模式；在分子生物学水平上，初步查明表观遗传修饰与3-5个印迹基因的表达关系；在上述工作的基础上，进一步采用转基因策略，分析1-2个重要印迹基因的生物学功能，以期为明确印迹基因和种子发育的关系提供重要的参考依据。发表SCI论文1-2篇，培养研究生2-3名。

基因印迹是指在正交和反交当代种子中，来源于父本或母本的等位基因被特异沉默的一种表观遗传学现象。本研究利用转录组测序技术，从全基因组水平上分析了不同倍性小麦、不同发育时期胚乳中的印迹基因数量、种类及功能类别，为小麦多倍体形成过程中亲本等位基因调控种子发育开辟了新的研究方向，同时也为亲本冲突假说提供了有力的证据。主要结果如下：.1)利用二倍体小麦Y177和RM220做正反杂交，在其授粉后15和20天的胚乳中分别鉴定到84和61个印迹基因（去冗余后共91个）；利用四倍体小麦津硬8号和SCAUP做正反杂交，在其授粉后15和20天的胚乳中分别鉴定到110和96个印迹基因（去冗余后共135个）；利用六倍体小麦豆麦和科遗5214做正反杂交，在其授粉后15、20和25天的胚乳中分别鉴定到115、86和83个印迹基因（去冗余后共146个）。通过分析不同发育时期的印迹基因，发现约47.3%（176/372）的印迹基因表达模式高度保守，而52.7%的印迹基因具有时空表达特异性。另外，研究发现MEGs和PEGs的表达量比非印迹基因的表达量高，MEGs的表达量比PEGs的表达量高。GO（Gene Ontology）分析发现MEGs主要参与了营养的代谢而PEGs参与基因的转录调控过程。.2)通过比较不同倍性小麦胚乳中鉴定的印迹基因，表明约50%（18/35）的印迹基因在小麦多倍体形成过程中表达模式具有保守性，其它印迹基因在小麦多倍化过程中印迹表达模式发生了分化。在四倍体小麦和六倍体小麦胚乳中，分别约23.1%（3/13）和40%（10/25）的部分同源基因同时表现为印迹表达。本实验共发现37对部分同源基因在不同倍性小麦中是印迹基因。在所有比较的物种中，不同倍性小麦之间印迹基因的保守性最强。. 多倍化是生物界普遍存在的一种复杂生物学现象，但是多倍体植物的印迹基因研究目前尚未见报道。上述研究以典型的异源六倍体小麦及其供体祖先种为研究材料，发现基因印迹表达模式具有明显的倍性和部分同源基因特异性，丰富了多倍体植物印迹基因及其与胚乳发育关系的认识，并揭示了物种亲缘关系影响了基因印迹表达的保守性。以上结果发表在2018年的植物科学杂志The Plant cell上（Yang 等, Plant Cell, 2018, 通讯作者）。