全基因组DNA多态性、甲基化和转录组分析揭示同源四倍体水稻花粉低育性的潜在原因

【作者】 李翔； 于航； 吴锦文； Muhammad Qasim Shahid； 刘向东；

【机构】 华南农业大学亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室；

【摘要】 【研究背景】同源四倍体水稻是一种具有高生物产量的新种质,然而,低育性是限制其在生产上直接利用的主要原因。减数分裂基因在有性生殖中至关重要,此类基因的序列变异及表达模式改变会导致减数分裂异常。研究表明,减数分裂相关mi RNAs的差异表达与同源四倍体水稻的花粉不育性关系密切。但是,同源四倍体水稻低育性的全基因组变异和甲基化分析仍未见报道。因此,本研究利用高测量测序对同源四倍体水稻的花粉发育过程进行全基因组和甲基化,并结合转录组进行联合分析,以阐明同源四倍体水稻低育性原因;【材料与方法】供试材料为同源四倍体水稻02428-4x和二倍体原种02428-2x,选取四叶期叶片,以CTAB方法提取高质量DNA进行重测序分析。根据花药大小挑选处于减数分裂间期,减数分裂期以及单核小孢子期的花药进行转录组测序分析。减数分裂期的花药同时进行甲基化免疫共沉淀测序分析;【结果与分析】重测序分析发现,与二倍体原种相比,同源四倍体水稻02428-4x共存在1003个SVs,25个CNVs,34416个SNPs和6993个InDels,在这些插入缺失突变位点中,仅有8个基因涉及纯合突变。甲基化免疫共沉淀测序分析发现,与二倍体水稻比较,02428-4x在全基因组甲基化水平上发生巨大变化,其中有11367和41117个区域分别差异高甲基化和低甲基化表达,进一步分析发现涉及转座子基因的7153个区域发生低甲基化表达现象。低甲基化转座子可诱发转座子高度转录,使转座子在同源四倍体水稻花粉母细胞减数分裂中的水平失衡,导致基因组不稳定性。在02428-4x的花粉减数分裂过程中,共检测到313个和352个基因在此时期特异表达上调和下调,其中下调基因富集在转录因子活性的途径。这些减数分裂差异基因中有6个存在CNV,包括4个上调的基因发生拷贝数获得现象,如LOC_Os11g38620。进一步与前人研究结果比对发现122个基因可能与同源四倍体水稻花粉低育性相关。在这122个基因中,98个存在差异甲基化并且发现差异表达,包括CYP703A3和OsABCG26等花粉发育重要基因。通过定量PCR验证,这两个基因的确在同源四倍体水稻02428-4x的花粉减数分裂过程较二倍体原种下调表达,与花粉败育紧密相关;【结论】以上结果认为,同源四倍体水稻的低育性不仅与花粉发育相关基因的差异表达有关,基因序列的变异和差异甲基化也会对其育性造成影响。表明同源四倍体水稻花粉败育的复杂性,可能受多因素影响所造成的。更多还原