马铃薯块茎形成光周期响应基因的甲基化调控机制研究

As a storage organ and a vegetative propagation system, the tuber has the most important economic impacts on potato crop. It is critical to understand the genetic and molecular mechanism underlying the tuber formation process (tuberization). Photoperiodic-tuberization is the most key pathway, but the interaction and regulation among elements is still not clear. DNA methylation plays an essential role in promoting plant flowering and seed germination through modulating gene expression. We found that DNA methylation inhibitor could influence the tuber initiation only in day-length sensitive genotypes, which suggests that DNA methylation may play roles in expression of the genes involved in photoperiodic-tuberization. In this project, the whole-genome DNA methylation sequencing of both the day-length sensitive and non-sensitive potato genotypes will be employed to enable the comparison of the DNA methylation levels and modes between these genotypes, aiming to identify the key candidate photoperiodic-tuberization genes regulated by DNA methylation. Directed mutagenesis will be used to construct modified sequence without DNA methylation sites to ensure the verification of the roles of DNA methylation in gene expression and function. The results will shed a light on the mechanism by which potato tuber initiation is epigenetically regulated.

块茎是马铃薯赖以生存的繁殖器官和体现其经济价值的储藏器官，其形成和发育机制一直是马铃薯研究的重要领域。块茎形成受到多个信号通路的影响，其中光周期具有关键性调控作用，但是其调控机制尚不清楚。DNA甲基化通过对关键基因的调控来影响植物的开花和种子萌发等生长发育过程。我们前期研究发现，用DNA甲基化抑制剂处理马铃薯，能够显著影响光周期敏感基因型的块茎形成时间，而光周期不敏感基因型则不受影响，因此推测DNA甲基化可能参与了光周期调控块茎形成的过程。本项目拟采用转录组与全基因组甲基化检测结合的途径，通过基因表达差异和甲基化变化，分析光周期敏感与不敏感基因型之间的差异基因以及甲基化调控位点，进而利用定点突变技术进行甲基化位点与基因功能的互补验证，分析DNA甲基化对基因表达的调控以及对块茎形成的影响，揭示与块茎形成相关的光周期响应基因的甲基化调控机制，从表观遗传学角度为马铃薯块茎发育机制研究提供新线索。

马铃薯（Solanum tuberosum L.）在地球上的栽培历史超过8000年，广泛种植于150多个国家和地区，是世界上最重要的粮食作物和经济作物之一，在保障世界粮食安全中发挥着重要作用。块茎是马铃薯赖以生存的繁殖器官和体现其经济价值的储藏器官，其形成和发育机制一直是马铃薯研究的重要领域。块茎形成受到多个信号通路的影响，其中光周期具有关键性调控作用，但是其调控机制尚不完全清楚。DNA甲基化通过对关键基因的调控来影响植物的开花和种子萌发等生长发育过程。同时我们也发现DNA甲基化抑制剂能够显著提前光周期敏感基因型的块茎形成时间，而光周期不敏感基因型则不受影响，因此推测DNA甲基化可能参与了光周期调控块茎形成的过程。. 本项目采用全基因组甲基化测序与转录组分析相结合的方法，通过甲基化变化和基因表达差异，分析光周期敏感与不敏感基因型之间的甲基化调控基因和差异表达基因。全基因组甲基化测序结果显示不同光周期结薯特性材料在短日照诱导结薯过程中表现出完全不同的甲基化模式，其甲基化差异基因也相差很大。DNA甲基化处理组和对照组的转录组分析结果显示，DNA甲基化抑制剂通过调控光周期途径和GA途径上的关键基因的表达来促进结薯。基于甲基化差异基因和差异表达基因的比较，共鉴定得到52个候选基因受到甲基化调控，同时也可能参与到光周期调控结薯过程中。. 本研究以来源于同一个杂交组合的3个姊妹系为材料，从遗传定位和DNA甲基化调控两个方面入手探索调控光周期结薯的遗传机制，最终发现不管是遗传基础还是表观修饰都与光周期途径和GA途径相关。明确光周期与GA途径在调控块茎形成中的关系，理清遗传基础和/或表观修饰在二者调控块茎形成过程中的角色，将揭开马铃薯块茎形成机制研究的新篇章。