论文部分内容阅读
近年来,随着人工杂交制种成本的逐年提升,细胞质雄性不育(CMS)已经逐渐成为棉花杂种优势利用领域研究的热点。然而,哈克尼西棉细胞质雄性不育(CMS-D2)恢复系花药发育容易受持续高温胁迫影响,从而限制了棉花“三系”杂交种的大面积推广应用。虽然已有一些研究报道DNA甲基化参与调控植物花药发育,但是对高温胁迫下全基因组DNA甲基化动态在棉花CMS-D2恢复系育性中的潜在调控角色目前仍缺乏系统的分析和探究。本研究首先利用全基因组甲基化测序(WGBS)技术对保持系ZB(耐高温)及其近等基因恢复系ZBR(高温敏感)在高温胁迫和适宜温度条件下花药发育关键时期(长度约为3mm的花蕾)的4个样品进行比较分析,并绘制了高温胁迫下棉花花药发育的单碱基分辨率胞嘧啶甲基化图谱;随后,通过整合的转录组数据进一步探究了ZB和ZBR花药发育过程中响应高温胁迫的表观基因组变化差异与转录表达变化之间的关系,并结合体外喷施处理的实验结果,初步解析了高温胁迫引起棉花CMS-D2恢复系花药不育的潜在表观机制。主要研究结果如下:1.以保持系ZB为例,棉花花药基因组在所有测序的胞嘧啶位点以及CG、CHG和CHH序列环境下分别呈现出大约31.6%、68.7%、61.8%和21.8%的甲基化水平,这代表了花药全基因组的DNA甲基化水平百分比。在棉花染色体上的基因富集区域,转座元件(TEs)的密度较低,并伴随着相对较低的甲基化水平;正相反,TEs富集区域具有较高密度的胞嘧啶甲基化分布。棉花花药中胞嘧啶甲基化位点偏好性与DNA序列环境以及具有高或低胞嘧啶甲基化密度的序列区域均高度相关,但是在高温胁迫下并没有发生改变。在高温胁迫下,ZBR中CG和CHG甲基化水平仅呈现出稍微的增加,然而ZB尤其在启动子和重复序列区域发生了明显的CHH去甲基化。2.在棉花花药基因组中,启动子区甲基化程度似乎与基因表达水平并没有明显的关联,只有启动子区未发生甲基化的基因呈现出相对更高的表达水平;然而,基因主体区DNA甲基化程度与基因表达水平之间具有明显的正相关关系。此外,大多数响应高温胁迫的差异表达基因(DEGs)并没有与对应的DNA甲基化变异相关联。3.通过系统分析棉花花药中转座元件的DNA甲基化模式,发现不同转座元件的DNA甲基化水平高低与其序列长度高度相关。在高温胁迫下,保持系ZB在CG、CHG和CHH序列环境下均有更多的差异甲基化转座元件(DMTEs)发生了明显的去甲基化;相反,与ZB相比其近等基因恢复系ZBR中呈现出更多高甲基化的TEs。4.整合甲基化组和转录组数据分析表明,DNA甲基化介导氧化磷酸化通路相关基因(包括GhNDUS7、GhCOX6A、GhCX5B2和GhATPBM)的转录变化,可能在高温胁迫下的花药发育过程中发挥着至关重要的角色。5.在高温胁迫下对ZBR的花蕾和叶片进行不同浓度的DNA甲基转移酶抑制剂5-氮杂胞苷(5-azaC)喷施处理,结果表明DNA去甲基化有助于棉花花药的正常发育;然而,在高温胁迫下对ZB的花蕾和叶片进行不同浓度的DNA甲基化促进剂三氟甲烷磺酸甲酯(MTFMS)喷施处理,结果发现增加的DNA甲基化水平只能部分抑制花药发育。