生物节律基因在仿刺参夏眠调控中的作用机制研究

Aestivation is the most important physiological characteristic of sea cucumber（Apostichopus japonicus）with seasonal rhythm, and its molecular regulation mechanism remains obscure. According to the previous research of our group, Klf2 and Egr1 were identified as putative key regulators during sea cucumber aestivation, probably exerting their effects through a clock gene-controlled process. Our finding revealed the regulation effects of clock genes during sea cucumber aestivation for the first time. Based on the former work, this study will further analyze the regulatory mechanism of clock genes during sea cucumber aestivation with focus on the key genes Klf2 and EGR1. Multi-omics will be used in this study to analysis the gene expression patterns and mechanisms in sea cucumber’s aestivation. Our findings will provide insights into how clock genes exert their effects in sea cucumber’s aestivation and whether in the same way as in circadian regulation. This research will also provide theoretical reference for sea cucumber breeding with improved quality.

夏眠是刺参最重要的生理特征，具有季节节律性，目前其分子调控机制仍不清晰。申请人所在课题组在前期研究中发现Klf2和Egr1是参与夏眠调控的关键基因，通过分析Klf2、Egr1和经典节律基因在夏眠过程中的表达变化，首次揭示了生物节律基因调控仿刺参夏眠的生物学过程，提出了Klf2和Egr1通过生物节律基因来调控刺参夏眠的可能机制。本研究将在此基础上，围绕关键基因Klf2和Egr1，进一步解析生物节律基因在仿刺参夏眠中的调控机制。研究拟采用多种组学研究手段，对夏眠不同阶段、四种主要成体器官展开系统研究，揭示生物节律基因在仿刺参夏眠中的调控模式和表观调控机制，以期深入理解以仿刺参为代表的夏眠动物季节性节律调控机制及其与昼夜节律调控模式的区别，同时也可为刺参优良品种的培育提供理论依据与指导。

夏眠是仿刺参最重要的生理特征，具有季节节律性，目前其分子调控机制仍不清晰。课题组在前期研究中发现Klf2和Egr1是参与夏眠调控的关键基因，提出了Klf2和Egr1通过生物节律基因来调控刺参夏眠的可能机制。本研究在此基础上，围绕关键基因Klf2和Egr1，进一步解析生物节律基因在仿刺参夏眠中的调控机制。主要内容包括：1）完成了仿刺参经典生物节律基因的全基因组筛查及以及其他已知节律调控相关通路基因在仿刺参夏眠中的表达趋势分析，发现将近一半的已知节律调控基因在仿刺参夏眠过程中呈现显著的表达差异，并鉴定到4种主要成体器官共有节律调控基因及主效调控基因；2）在仿刺参中建立了DAP-seq技术体系，初步筛查了Klf2和Egr1基因的下游靶位点，为Klf2和Egr1参与夏眠过程生物节律调控的网络解析提供了重要数据支持；3）完成了仿刺参夏眠相关lncRNA的系统筛查及编码-非编码基因共表达网络分析，通过差异基因和差异LncRNA转录本的富集，鉴定到参与夏眠不同阶段的关键调控模块（Klf2, Egr1为该模块hub基因）及模块中其潜在的lncRNA 顺式作用靶基因，为深入理解仿刺参夏眠节律调控活动的机制提供了重要线索。4）此外，本研究拓展了对仿刺参疣足数量这一重要经济性状的SNP 遗传力估计，为将来开展仿刺参疣足数量的全基因组关联分析(GWAS)提供了支持。该研究采用的算法也可用于仿刺参夏眠相关性状的遗传改良。