挪威云杉全基因组DNA甲基化研究及裸子植物中RdDM通路的鉴定

A recent study revealed that Picea abies, (Norway spruce), genome size could be 19.6 Giga basepairs. Unlike angiosperms, there is no evidence that whole genome duplications have occurred in gymnosperm species and initial annotation efforts, showed that transposable elements, (TEs), account for the vast majority of P. abies genome (~70%). Therefore, it has been hypothesized that the extraordinary large size of P. abies genome might be mostly caused by the massive insertion of TEs. It is well established that DNA methylation plays a major role in the silencing of TEs, thus in order to understand the mechanisms of genome expansion, it would be critical to elucidate the different mechanisms and pathways in which DNA methylation is attained in gymnosperms. We have generated preliminary data showing genome-wide DNA methylation patterns of P.abies, as well as RNA-seq and small RNA libraries. Analysis of these data would shed light on the mechanisms by which DNA methylation is established and maintained in gymnosperms. They will also allow comparisons to other well-studied angiosperms (i.e. Arabidopsis, rice). Finally, it will be very informative on TEs regulation and genome size evolution in gymnosperms and the possible function of DNA methylation in environment adaption, which could have a potential impact on forestry breeding.

挪威云杉全基因组测序显示云杉的基因组大小达19.6Gb。相比被子植物，裸子植物中没有任何证据显示其经历过独立的全基因组重复事件。而在云杉基因组中发现有近70%的转座子等重复序列，暗示着转座子的扩增可能是导致云杉基因组增大的重要原因。研究表明转座子等重复序列的活性往往受到表观修饰的调节，尤其是DNA甲基化。那么研究云杉全基因组的DNA甲基化对于解释裸子植物的基因组扩增具有重要的意义。为此，我们已经获得了部分的DNA甲基化数据，小RNA数据以及转录组数据。通过这些数据的分析，可以帮组我们了解DNA甲基化在裸子植物中的建立和维持。同时，通过与其他被子植物的比较，比如拟南芥、水稻等，可以了解转座子的扩增在物种基因组增大和环境适应的作用。这些将为林业育种和生产提供必要的理论指导。

DNA甲基化是表观遗传修饰的重要组成部分，具有抑制转座子活性和调控基因表达等作用。同时，DNA甲基化还参与许多重要的生物学过程，包括果实成熟、环境胁迫应答、花发育等。关于植物DNA甲基化的研究大部分集中在模式植物拟南芥中，而在其他农作物或者非模式植物中研究很少，尤其是裸子植物。裸子植物相比被子植物而言，具有较大的基因组，而导致基因组增大的原因可能是大量的转座子序列。关于裸子植物是否由于缺少DNA甲基化而导致转座子活跃，并最终扩增了基因组尺度一直存在争议。因此，本课题以已经完成基因组测序的裸子植物挪威云杉为研究对象，首先通过同源比对和结构域搜索预测植物DNA甲基化通路的重要基因；同时进行全基因组DNA甲基化的分析，揭示DNA甲基化调控转座子的模式和基因表达的重要作用。再者，我们还比较了体外无性繁殖组织与针叶细胞，发现相比针叶细胞，体外无性繁殖会引起大范围的去甲基化现象。分析去甲基化现象可能是引起体细胞突变的重要组成原因之一，这一发现为今后的农作物无性繁殖育种和转基因研究提供了重要的表观遗传分子标记。