不同倍性菊花脑基因组结构与基因表达变化分析

Polyploidy has played an important role in the evolution of Chrysanthemum sensu lato. Chrysanthemum sensu lato has different ploidy level ranging from 2n=18 (diploid) to 2n=90 (decaploid) polyploidy series with the basic chromosome number of X=9. Chrysanthemum nankingense (Hand.-Mazz.) Y. R. Ling, a wild diploid species, is endemic to China. Tetraploid was induced by colchicine treatment, and a triploid was obtained via a cross between diploid and tetraploid C. nankingense.The morphological and stress tolerance traits in the tetraploid and triploid are different from the diploid. Especially, the chromosome pairing and separation in the tetraploid is normal in the process of meiosis which is quite different from other autotetraploid plants. In this study, genetic (AFLP), epigenetic (MSAP) and transcriptome sequencing will be used to analyze the genomic and transcriptome information of diploid, tetraploid and triploid. The genome structure and gene expression profiles in C. nankingense autopolyploids will be investigated as well. Moreover, the mechnisms involved in the variation of morphological traits and rapid diploidization will be disclosed, the relationship between the variation of polyploid and morphological changes will be established, it is expected to shade light on the molecular mechanisms underlieing polyploidization and its evolution of Chrysanthemum sensu lato.

菊属植物倍性分布从二倍体到十倍体，多倍体化是菊属植物进化的重要形式。菊花脑是我国特有的菊属野生二倍体物种，项目组先前通过秋水仙素加倍获得了四倍体菊花脑，与二倍体杂交后获得了三倍体。与二倍体菊花脑相比，多倍体菊花脑多个形态性状和抗逆性发生了变化，四倍体菊花脑在减数分裂的过程中染色体能够正常的配对和分离，其二倍体化速度之快，控制二体遗传配对能力之强与已报道的其他同源四倍体植物完全不同。本研究拟通过分析不同倍性菊花脑基因组及转录组信息，综合遗传（AFLP）、表观遗传（MSAP）和转录水平（转录组测序）的数据，研究菊花脑同源多倍体化过程中基因组结构和基因表达变化，深入探讨菊花脑多倍体化过程形态性状和抗逆性变异及快速二倍体化的分子机制，并建立多倍体遗传变异与表型变异之间的相互关系，从分子水平上加深对同源多倍体植物的认识，丰富多倍体植物进化理论。

采用AFLP，MSAP技术研究菊花脑同源多倍体化后快速的基因组结构和DNA甲基化改变。基因组结构研究表明，四倍体菊花脑中有13条原有（3%）条带的丢失，同时出现了4条（0.9%）新条带。同源性比对显示，4条新序列中有1条与Ty1-copia型反转录转座子具有同源性，说明菊花脑基因组加倍的过程中，反转录转座子可能会受到某种刺激而激活从而使其发生转座。DNA甲基化结果显示，所检测到的434个位点中，有82个位点出现了一定程度上的变异，且以甲基化水平升高为主。使用二代测序技术进行菊花脑转录组测序，开发了超过2000条EST-SSR引物。并使用EST-SSR引物对菊属和其近缘种属材料进行了研究。结果发现SSR位点数随倍性的增加而增加。多倍体化对EST-SSR位点产生一定的影响，造成其部分序列的多态性，进而影响转录。EST-SSR可能在多倍体进化过程中提供了一个潜在的分子基础。转录组测序表明，多倍体化可以引起基因的差异表达，包括反转录转座子，其中Ty1-copia比例较高。对部分Ty1-copia型反转录转座子的中间片段进行验证，并获得了2条反转录转座子LTR区域。SSAP检测表明，多倍体化可引起Ty1-copia型反转录转座子激活并插入到基因组中。所有的证据表明反转录转座子参与了菊花脑多倍体化后基因组进化。在转录组测序技术基础上，获得了23条菊花脑TCP全长，分别属于18个CnTCP基因。所有CnTCP均包含一个非典型的bHLH结构域，与已知TCP具有较高的同源性。使用qRT-PCR对17个可以区分的CnTCP基因进行了定量分析。结果发现，所有的CnTCP表达变化趋势均符合转录组的结果，且CnTCP9，CnTCP16和CnTCP18的表达变化均在3倍以上，其中CnTCP9的变化幅度最大，达到了3.66倍。亚细胞定位显示，CnTCP9主要在核内表达。酵母单杂交表明，CnTCP9并不具有转录激活活性。拟南芥转化研究研究表明，超表达CnTCP9能够引起拟南芥表型的变异。菊花脑同源多倍体化会引起CnTCP家族差异表达，从而影响植物的表型，且这些表达差异可能跟DNA甲基化改变有关。多倍体化后引起了不同倍性菊花脑耐盐性差异，且主要与生化代谢途径和信号转导途径的基因表达差异有关。