棉花DNA甲基化及调控MAF1基因影响纤维发育的初步研究

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由5m C和6m A组成的DNA甲基化在植物发育中发挥重要作用,但其在棉花纤维发育中的具体作用和潜在机制尚不清楚。在此,我们对陆地棉DNA中胞嘧啶第5碳和腺嘌呤第6碳的甲基化调控基因进行全基因组鉴定,同时还系统研究了两个棉花品系Xu142和ZM24及他们的光籽突变体Xu142fl和ZM24fl在纤维起始时期的5m C和6m A DNA甲基化谱,揭示了纤维细胞起始发育过程基因组水平的DNA甲基化的变化模式,发现光籽突变体中的甲基化程度要显著高于其野生型。全基因组水平的鉴定发现,陆地棉中介导5m C甲基化和去甲基化、6m A甲基化和去甲基化的基因分别为13、10、6和17个。我们研究了所有基因的组织表达模式,发现一些基因在纤维起始阶段优势表达如GhDAMT1、GhDAMT3、GhALKBH12、GhALKBH16和GhALKBH17,这些基因的表达量在其光籽突变体Xu142fl要显著高于其野生型,而GhALKBH3在Xu142中的表达量则要高于Xu142fl。以上结果为在棉纤维发育过程中DNA甲基化修饰变化的研究提供了线索。同时采用ONT(Oxford Nanopore Technologies)测序解析ZM24和ZM24fl在纤维起始发育过程的DNA甲基化变化,结果发现ZM24和ZM24fl在纤维起始时期的5m C和6m A的DNA甲基化存在显著的差异,ZM24fl中的5m C和6m A的DNA甲基化程度要显著高于ZM24,其中6m A的甲基化在-2、0、5天的胚珠样本之间存在极显著差异。同时我们筛选到多个基因区甲基化显著变化的基因,结合其在ZM24和ZM24fl纤维起始中的转录表达,推测GhMAF1可能受到6m A甲基化调控影响纤维发育。通过染色质免疫共沉淀技术(ChIP-q PCR)对ZM24和ZM24fl棉花中的MAF1基因进行验证,发现MAF1在ZM24fl中的6m A DNA甲基化富集程度低于ZM24,表明棉花中MAF1上的6m A DNA甲基化抑制其转录表达。通过大肠杆菌原核表达系统,诱导并纯化了GST-GhMAF1的融合蛋白,随后进行蛋白免疫印迹杂交实验(Western blot),对GST-GhMAF1重组蛋白进行了验证。在烟草中瞬时表达GFP-GhMAF1融合表达载体,显示GhMAF1蛋白同时定位在细胞核与细胞膜上。鉴定筛选了拟南芥MAF1基因功能缺失突变体,对拟南芥maf1-2突变体的表皮毛数量进行统计,发现其表皮毛数量要少于野生型。通过实时荧光定量PCR(q RT-PCR)对maf1-2突变体中参与表皮毛发育的相关基因进行了筛选与检测,发现MAF1可能通过调控GL1、GL2等基因的转录表达,进而调控拟南芥中表皮毛的发育。而GIS2和JAZ1的表达量下调,说明MAF1也可能参与了赤霉素与茉莉酸的信号通路。综上所述,本文利用棉花野生型和相应的光籽突变体材料,进行了纤维起始阶段基因组水平的DNA甲基化分析,对棉花中的DNA甲基转移酶和去甲基化酶进行了家族分析,鉴定了可能参与纤维发育的目的基因。初步鉴定了纤维发育中的6m A DNA甲基化目的基因MAF1,并对其影响表皮毛发育的功能和作用机制进行了初步研究。
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