裸子植物基因DNA甲基化的进化研究

DNA methylation is a heritable epigenetic modification, and has emerged as a potentially important factor in plant evolution. Previous studies of plant DNA methylation focused mostly on angiosperms, especially on some model plants, such as Arabidopsis thaliana and Oryza sativa. Although similar patterns of DNA methylation have been found in TEs and repeats in seed plants, the pattern of gene-body methylation is largely different between angiosperms and gymnosperms. To date, the evolution and function of gene-body methylation remain largely unknown. In this project, we will do the bisulfite genomic sequencing for the main lineages of gymnosperms. The aims are to investigate the evolutionary patterns and functions of gene-body methylation in gymnosperms by analyzing the distribution modes of genes with enrichment of CG and enrichment of CHG methylation, respectively, and studying the difference of gene-body methylation between orthologous genes as well as the correlation between gene-body methylation and gene expression level. Based on the results from gymnosperms in combination with the available plant methylomes from public databases, we try to explore the relationships between different contexts of gene-body methylation and genome sizes. In addition, we will reconstruct evolutionary histories of genes related to DNA methylation/demethylation in order to unveil why angiosperms and gymnosperms have different gene-body methylation patterns. Finally, we will analyze the distribution patterns of gene-body methylation in different tissues of the representative species of the main lineages of gymnosperms.

DNA甲基化是一种重要的表观遗传机制，是影响植物进化的重要因素之一。以往对植物DNA甲基化的研究多集中于开花植物。裸子植物的转座因子（TE）和重复序列具有与被子植物相似的甲基化式样，但裸子植物基因DNA甲基化模式明显不同。迄今，基因DNA甲基化的功能仍然很不清楚。本项目拟对裸子植物不同支系的代表性物种进行基因组Bisulfite测序，比较CG和CHG甲基化水平分别较高的基因的进化模式，揭示直系同源基因间的DNA甲基化差异以及基因DNA甲基化与基因表达水平的关系，探讨基因DNA甲基化的进化模式和功能；与其它陆地植物比较，探讨植物基因不同类型DNA甲基化的水平与基因组大小间的关联；研究与甲基化及去甲基化相关的基因的进化，探讨裸子植物为什么具有独特的基因DNA甲基化模式。最后，对不同支系代表物种的多种组织的基因DNA甲基化分布进行研究，探讨裸子植物不同组织基因DNA甲基化的分布式样及其进化意义。

DNA甲基化是一种重要的表观遗传机制，是影响植物进化的重要因素之一。以往对植物DNA甲基化的研究多集中于开花植物，而对其它陆地植物如裸子植物关注较少。在本项目中，我们首先通过对裸子植物不同支系代表性物种的基因DNA甲基化模式进行比较研究，发现在裸子植物中，除CG甲基化外，基因的CHG甲基化水平也较高；基因DNA甲基化水平在物种以及各大类群间存在明显差异，其中倪藤类植物的基因CG甲基化与CHG甲基化水平与其他类群相较略低；基因CG和CHG甲基化水平与其各自的甲基化基因数目及基因组大小呈显著正相关关系，且CG和CHG甲基化的基因相对保守。其次，我们研究了青扦基因DNA甲基化变异与环境适应性的关系，发现在青扦群体中分布于441个unigene的 908个SMV与环境变量呈强相关，可能参与到青扦适应环境的过程中。接下来，我们结合甲基化组和转录组分析探讨了青海云杉两性球花的发育机制，青海云杉两性球花的基因DNA甲基化水平与正常球花存在很大的差异，可能与其球花发育异常相关。另外，我们还利用谱系基因组学方法重建了松科和云杉属的系统发育关系，同时对裸子植物的线粒体基因组进化进行了研究。项目执行期间，以通讯作者（含并列）在SCI刊物上发表论文6篇，培养了2名博士和2名硕士。