水稻叶片、花序转录组m~6A修饰研究

来源 :河南师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xacxd1964
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N6-甲基腺嘌呤(m~6A)作为m RNA内部最丰富的一种修饰形式,受到甲基转移酶(writer)和去甲基化酶(eraser)的可逆调控,并通过甲基化阅读蛋白(reader)发挥功能。在m RNA的稳定性、出核运输、可变剪接和翻译调控等过程中发挥着重要作用。目前,m~6A修饰已被证明对动植物的某些重要发育过程至关重要。然而,关于植物中m~6A的时空动态修饰的信息非常有限,尤其是在水稻等重要农作物中。水稻是世界上最重要的粮食作物之一,是禾本科植物的模式植物。因此我们以日本晴水稻孕穗期的花序、扬花期的花序与叶片为实验材料,构建MeRIP-seq文库与RNA-seq文库。以RNA-seq文库为背景,明晰水稻叶片与花序转录组m~6A修饰图谱,通过比较水稻组织间的m~6A修饰位点(m~6A peaks),获得差异修饰的m~6A peaks(DMPs),从而探究m~6A修饰在水稻同一时期不同器官以及同一器官不同发育时期的时空动态修饰模式。通过DMPs与差异表达基因(DEGs)的联合分析,探究m~6A修饰对基因表达的调控机制。分析m~6A相关调控基因(writer,eraser,reader)在组织间的差异表达,以此来讨论m~6A修饰与水稻生长发育的关系。主要研究结果如下:1.水稻三个组织的m~6A修饰在基因上的分布特征一致,但整体修饰水平具有差异。从m~6A修饰位点在基因上的分布特征来看,三个组织的分布特征一致,在5’UTR、CDS、3’UTR均有分布,但在3’UTR区显著富集。从整体修饰水平上看,在扬花期,叶片的m~6A修饰水平高于花序;孕穗期花序m~6A修饰水平高于扬花期花序。组织间m~6A peaks的密度也有所不同,花序中平均每个基因上有0.88个m~6A peaks,叶片平均每个基因上有1.08个m~6A peaks。Motif分析发现植物中特有的“UGUAHH”为水稻中最显著的motif;“RRACH”在孕穗期花序和叶片中显著富集,在扬花期花序中并不明显;另外还鉴定出新的motif为三个组织共有,可能与水稻不同组织器官的生长发育有关。2.水稻m~6A修饰具有器官差异和发育阶段差异。对水稻三个组织进行两两比较,发现花序与叶片间的DMPs的数量是扬花期花序与孕穗期花序间DMPs的两倍,说明花序与叶片器官间的修饰差异大于花序不同发育时期间的差异。三个比较组的DMPs仍主要分布在3’UTR区;与叶片相比,花序中的高甲基化peak在CDS和5’UTR的分布比例(16.78%-34.04%)远高于低甲基化peak在CDS和5’UTR的分布比例(5.22%-8.14%);随着花序的发育,DMPs也出现同样的规律。此外,组织特异性修饰基因的表达水平较高,尤其是在花序组织中。GO分析发现在花序与叶片间m~6A差异修饰基因主要与光合作用、叶片发育、花的发育和花粉萌发等相关;孕穗期与扬花期的花序间m~6A差异修饰基因主要与淀粉分解,花粉管生长等相关。3.水稻中m~6A对基因的表达调控是复杂的,主要以负调控为主。将DMPs与DEGs联合分析,发现大量的双差异基因。从孕穗期花序到扬花期花序,低甲基化高表达与高甲基化低表达的基因占双差异基因总数的74.9%,在花序与叶片间占60%左右,表明负调控是m~6A修饰影响水稻基因表达的主要调控方式;其余的双差异基因均为正调控模式,说明m~6A对基因的表达调控是复杂的。有许多双差异基因与水稻的花序和叶片发育/功能有关,通过m~6A-IP-q PCR对双差异基因的m~6A修饰水平与表达水平进行验证,结果与高通量测序结果一致。4.水稻不同组织间m~6A修饰水平的差异与m~6A相关调控基因的差异表达有关。花序与叶片间共发现10个差异表达m~6A相关调控基因,而在孕穗期花序和扬花期花序间,仅有2个m~6A相关调控基因发生差异表达,这可能是导致花序与叶片间的m~6A修饰差异明显大于两个发育时期花序间差异的原因。从孕穗期花序到扬花期花序,甲基转移酶基因Os FIP37的表达降低而去甲基化酶基因Os ALKBH10A的表达升高,这与扬花期m~6A修饰总体水平的较低相一致;而扬花期的花序比叶片的m~6A修饰水平低,主要与三个去甲基化酶基因Os ALKBH1A、Os ALKBH10A、Os ALKBH10B的高表达有关。本研究不仅鉴定了水稻叶片和花序的m~6A修饰特征,还表征了m~6A修饰在水稻不同器官间以及不同发育时期的动态变化,揭示了m~6A修饰与水稻器官发育密切相关,丰富了水稻m~6A修饰研究;通过分析m~6A修饰与基因表达间的关系,明晰了水稻中以负调控为主的m~6A调控基因表达;并进一步发现组织中m~6A的总体水平与m~6A调控基因的表达密切相关,为进一步研究m~6A调控水稻生长发育的详细机制奠定了基础。
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