A基因组在甘蓝型油菜形成与进化中的遗传及表观遗传变化

甘蓝型油菜（AACC, 2n=38）为白菜型油菜与甘蓝经杂交形成的异源四倍体物种，其进化历史约为1万年。我们利用远缘杂交技术，从世界上第一个甘蓝型油菜低芥酸品种"奥罗"与 我国优良品种"中油821"中分离出白菜型油菜。本项目在此基础上，对分离出的白菜型油菜进行基因组测序和表达谱分析，并与公布的天然白菜型油菜的序列比较，在全基因组水平上分析甘蓝型油菜在形成与进化过程中，白菜型油菜A基因组的遗传，表观遗传及基因表达变化，A基因组与甘蓝C基因组的互作及对甘蓝型油菜形态/产量/品质等方面的影响与作用，在此基础上结合相关研究探讨甘蓝型油菜形成与进化的分子机理。

我们先前从甘蓝型油菜 “奥罗（Oro）”与 “中双11（ZS11）”中分离出原始白菜型油菜（OroAs与ZS11As）。本研究以这两个白菜型油菜为主要材料，包括其他天然白菜、甘蓝、甘蓝型油菜以及人工合成的甘蓝型油菜，通过重测序、转录组、DNA甲基化和small RNA测序系统的分析了天然白菜及甘蓝型油菜A基因组在进化过程中的遗传、表观遗传及基因表达变化规律。主要结果如下：（1）天然白菜不同亚基因组（LF1， MF1，MF2）基因具有不同的DNA甲基化水平（MF1>MF2>LF），并与基因表达水平（LF>MF2>MF1）呈负相关。单拷贝基因的甲基化水平显著高于多拷贝基因，而表达水平显著低于多拷贝。这说明A基因组三倍化后甲基化程度高的亚基因组基因表达量低，受选择压小，更容易丢失；（2）甘蓝型油菜A基因组与天然白菜基因组间存在广泛的SNP、Indel及SV变异，尽管大部分变异的生物学意义仍不清楚，部分变异可能与其A、C基因组共进化过程中同源/部分同源染色体间的配对协调相关；（3）A基因组从甘蓝型油菜分离之后其基因表达迅速朝向天然白菜改变，与抗病、抗逆相关基因下调表达，与合成及代谢相关基因上调表达。与天然白菜及分离白菜相比，相当数量的基因只在甘蓝型油菜A基因组中特异性高表达或者低表达，这些基因分别主要参与了抗病、抗逆及合成与代谢等相关过程。同时，在甘蓝型油菜A基因组中高表达的基因大部分同时具有An>Cn（An/Cn：同源基因对）的关系，而大部分低表达基因同时具有An<Cn的关系。进一步分析发现，在天然甘蓝中高表达的基因主要与抗病、抗逆相关，而在白菜中高表达主要与代谢及细胞组分合成相关。结合甲基化与small RNA分析结果，我们发现上述差异表达基因小部分可由miRNA调控解释，或者 DNA甲基化、特别是siRNA介导的DNA甲基化差异来解释，而大部分可能源于A与C基因组基因间在表达水平的互作；（4）分离白菜与甘蓝杂交重新合成甘蓝型油菜过程中基因表达变化明显小于天然白菜与甘蓝杂交，且前者二倍体杂种表达模式更类似于后者加倍的四倍体，说明分离白菜具有对多倍化的预适应机制。总之，该项研究表明天然白菜A基因组进化过程不同亚基因组基因丢失与DNA甲基化密切相关，而白菜与甘蓝杂交形成甘蓝型油菜过程中，基因表达变化更多可能来自于两个基因组基因表达上的互作。