表观遗传修饰参与UV-A特异诱导芜菁花青素合成机制研究

UV radiation from the sun can induce anthocyanin accumulation, which is an adaptive adjustment mechanism in plants. Light-dependent anthocyanin biosynthesis in red turnip ‘Tsuda’ was found to be regulated by UV-A (320-380 nm) and co-irradiation of UV-B (280-320 nm) and blue. Our previous study showed that a small set of gene is expressed specifically in response to UV-A, but any common motifs adjacent to these genes could not be found at all, suggesting the presence none-genetic regulation. Recent studies have revealed epigenetic regulation of gene expressions in response to stresses. Epigenetic regulation includes genomic DNA methylation and histone modifications. Although the epigenetic system is becoming to be recognized as a key mechanism for gene expression regulation, few studies have been conducted for light induced stress response. The purpose of this study is to identify putative epigenetic modification involved in UV-A induced anthocyanin biosynthesis in turnip.. Genomic DNA methylation can be analyzed by whole genome bisulfite sequencing (WGBS). Histone modification can be analyzed by ChIP-Seq analysis using modified H3 histone specific antibodies. DNA methylation and histone modifications will be analyzed before and after the exposure to UV-A. Comparing epigenetic modifications and transcriptome profiles based on bioinformatics, the involvement of epigenetic modifications in UV-A specific anthocyanin biosynthesis will be investigated. The results will be verified in different accessions of UV-A sensitive turnip groups.

紫外线照射可以导致部分植物积累花青素，这是一种自我调节机制。研究发现依光型花青素合成的津田芜菁只受UV-A及UV-B与蓝光复合光诱导。转录组学研究结果表明UV-A特异诱导表达基因群的启动子区中并不含有相同的顺式作用元件，同时部分津田芜菁自交子代个体中存在对UV-A敏感程度不同的现象，这些均表明存在非孟德尔遗传机制的调控。本研究为鉴定UV-A特异诱导芜菁花青素合成过程中可能存在的表观遗传修饰，利用全基因组重亚硫酸盐测序及ChIP-seq的方法对UV-A照射前后津田芜菁全基因组内DNA甲基化修饰程度不同及特异发生组蛋白修饰的位点进行分离。通过生物信息学方法对这些位点与UV-A特异诱导基因群相互比较筛选可能参与该过程的表观遗传学修饰位点，并利用UV-A敏感程度不同的芜菁进行验证。本项目旨在发现UV-A诱导芜菁花青素合成过程中的表观遗传修饰调控规律，为揭示依光型花青素合成分子机制提供新的视角。

本项目在研究紫外线调控芜菁花青素合成的表观遗传学调控机制过程中，利用花青素合成光敏感型和不敏感型津田芜菁，我们在花青素合成关键基因ANS启动子区分离得到一段559bp的多态性插入序列，初步分析该序列为MITE类型转座子DTM-Brr4，在有该序列插入的突变体中，ANS表达下调。生物信息分析表明DTM-Brr4具有微型反向重复转座子MITE的结构特点，能形成稳定二级结构，其较长的约200-300bp的末端重复序列TIR及9bp的靶向重复位点序列等特点使其归为Mutator类转座子超家族。在十字花科植物中，拟南芥不含有DTM-Brr4转座元件，而芸薹属植物如芜菁和甘蓝单基因组中分别含有134个和13个DTM-Brr4拷贝，但其形成的异源二倍体植物甘蓝型油菜仅含有41个DTM-Brr4拷贝；另外该转座子在芜菁基因组各个染色体上均匀分布。利用重测序数据分析得到DTM-Brr4在14个芜菁株系中不同个体基因组中拷贝数目无变化，但其转座位点存在差异，拥有较少的共同位点（或转座稳定位点）以及大量的特异位点（或转座不稳定位点）；稳定位点侧翼序列的比对分析未发现保守基序；DNA甲基化相关实验表明DTM-Brr4无论是稳定位点还是特异插入位点其内部序列都存在高水平胞嘧啶甲基化，且主要为CHH甲基化类型，并在芜菁小RNA测序数据库中找到113个与DTM-Brr4 两端序列相匹配的21~24nt 小RNA。该结果表明DTM-Brr4为Mutator家族中一类特殊、微型的DNA转座子—MITE，为芸薹属特异性转座子，自芸薹属植物与拟南芥分离后进化产生，且在异源二倍体植物出现后，仅特异在芜菁中转座被激活，获得上百个拷贝数，在芜菁基因组中无染色体分布差异。DTM-Brr4具有天然转座活性，但无靶位点序列插入偏好性。DTM-Brr4在芜菁基因组中普遍受到高水平DNA甲基化修饰，这可能与DTM-Brr4的转座及增殖受抑制有关，初步分析发现DTM-Brr4具有产生介导自身DNA甲基化的芜菁特异小RNA的潜能，相关机制及功能有待一步研究。本研究为更好的理解MITE在植物基因组中的作用及开发遗传分析或基因组研究工具奠定了一定的基础。.