石刁柏Y染色体Ty1-copia反转座子分离及其激发Y染色体异染色质化的表观修饰机制解析

The mechanism of plant sex chromosome origin and evolution is unclear at present. As the mobile elements of the genome, retrotransposon may trigger the origin and evolution of plant sex chromosome. In this project, SeqY, which with Ty1-copia retrotransposon and transcription features, was isolated and identified from Asparagus officinalis with the chromosome microdissection and microcloning technique. We would like to use A. officinalis (2n=20, dioecious) and A. setaceus (2n=20, bisexual flower) as material, analyze the heterochromatin distribution pattern on A. officinalis sex chromosome with the methods of DAPI (4'6-diamidino-2- phenylindole) painting; using Southern blotting, DNA and chromatin Fiber-FISH(fluorescence in situ hybridization), RT-PCR, DNA and histone methylation immunofluorescence assay and histone acetylation immunofluorescence assay to comprehensively compare and analyze the activity variation of this retrotransposon in A. officinalis and A. setaceus; Furthermore, to study the relationship of retrotransposon activity and the epigenetic pattern of the insertion flanking region of A. officinalis Y chromosome and A. setaceus chromosome. Finally, we wish to comprehensively analyze the epigenetic mechanism of Y chromosome heterochromatinization promoted by retrotransposon insertion during the evolution of A. officinalis Y chromosome.

植物性染色体的起源至今仍是一个未解之谜。反转座子作为移动的基因组成分可能激发了植物性染色体的早期起源和演化。利用染色体微切割微克隆技术，我们初步从石刁柏Y染色体上分离和鉴定了一个具有转录活性的Ty1-copia -like反转座子序列SeqY。在此基础上，本项目以石刁柏（2n=20，雌雄异株）及其同属种文竹（2n=20，花两性）为材料，利用DNA文库筛选方法分离SeqY全长序列并进行结构分析；结合DAPI带分带技术鉴定石刁柏性染色体异染色质分布模式；通过Southern杂交、DNA和染色质Fiber-FISH、RT-PCR、DNA和组蛋白甲基化及组蛋白乙酰化免疫荧光检测技术比较分析SeqY在石刁柏和文竹基因组内活性变化及其与石刁柏Y染色体和文竹相关染色体插入区域的表观修饰模式之间的关系。并综合分析石刁柏Y染色体演化过程中反转座子插入激发的性染色体异染色质化的表观修饰特征。

植物性染色体的起源及演化机制至今仍不清楚，转座子等可移动因子是植物基因组中重要的组成成分之一，在基因组进化及特殊性状形成等方面具有重要的作用。本项目针对转座子在石刁柏基因组中的组成特征、分布模式及与性染色体演化中的作用进行了分析。结果表明，石刁柏基因组中转座子比例达到60.92%，Y染色体上MSY区域转座子比例达到86.95%，主要由Ty1-copia和Ty3-gypsy类型反转座子组成。从中分离了性染色体特异序列其定位于性染色体末端及着丝粒位置。其次，对石刁柏细胞核DNA纤维制备及其荧光原位杂交检测表明所获得的DNA纤维分辨率达到0.33 kb/um，对特异序列DNA甲基化和组蛋白修饰分析表明，异染色质区DNA和组蛋白呈现高度甲基化状态；对细胞质来源的可移动DNA因子在XY性染色体插入的分析表明，石刁柏核基因组中共发现了 3,155 个 NUPTs 插入事件，Y染色体上的平均染色体上的平均NUPTs的数量及长度均显著高于常染色体，但是其插入位置主要集中于Y染色体着丝粒位置。根据整体研究结果我们提出了转座子及可移动因子激发Y染色体DNA甲基化及siRNA参与下的异染色质化的分子机制。研究结果为进一步分析植物性染色体形成及演化提供了重要的理论资料。