TPJ：小RNA在油菜转录及表观遗传变化中的重要作用

题目：Analysis oftranscriptional and epigenetic changes in hybrid vigor of allopolyploid Brassica napusuncovers key roles for small RNAs

期刊：The Plant Journal， 2017

IF：5.901

1.研究背景

杂种优势是指两个遗传基础不同的亲本杂交产生的杂交一代在生活力、生长势、抗逆性、适应性以及产量、品质等方面超过其双亲的现象。

Brassicanapus（油菜）是主要的食用油生产作物，其F1杂交种已广泛应用于商业生产多年。油菜的基因组序列已知，下一代测序技术提供了前所未有的机会来解决与杂种优势相关的亲本与F1代的基因表达变化和表观遗传变异的问题。

2.研究方法

（1）样本选择

•父本ZY50

• 母本MB

• F1代ZYZ108

（2）三个发育阶段

• 分生组织过渡阶段（SAM1）

•  花分生组织阶段（SAM2）

•  早期花朵中的幼芽阶段（YFB）

（3）实验流程

转录组测序、全基因组测序、小RNA测序、甲基化测序和生物信息学分析

3.研究结果

（1）杂种优势直接影响角果的数量

F1后代具有显著增加的角果数和产量，总籽粒产量比亲本平均值（MPV）高出60％。F1和两个亲本之间的种子重量没有观察到显著差异，因此增加的产量主要是由于显著增加的角果数（比MPV高约50％）。

图1. F1的角果数量和产量，以及在三个发育阶段的典型植物特征

（2）两种亲本中差异表达的基因在F1中富集

我们首先分析了每个的转录组，并在同一发育阶段与他们的父母进行了比较。具有与MPV[P ≤0.05;FDR ≤0.05]显著差异的F1基因被认为是显著的差异表达基因（DEG）。这些DEG基因可能是产生杂种优势表型的原因。对差异基因进行GO富集，发现“defense andstress response”和“hormoneresponse”是突出的功能簇。

（3）F1中激素反应基因的显著变化

水杨酸（SA）合成主要通过两个关键途径，即等离子体（IC）途径和苯丙氨酸（PHE）途径。IC途径是产生SA的主要途径。在IAA生物合成途径中，植物细胞使用色氨酸途径来合成吲哚乙酸。结果表明，导致SA和IAA积累的生物合成途径的基因在所有三个阶段都下调。鉴于植物免疫力和植物生长之间的拮抗关系，防御相关细胞活性水平较低可能是F1生长更好的重要因素。

图2. F1中水杨酸和生长素合成的变化

（4）高亲本表达水平优势在杂种优势中的作用

在亲本表达显性（ELD）基因中，一些基因与表达最高表达水平的亲本一样高时，称为高亲本表达水平显性基因。对高ELD差异基因（III + V型）进行GO富集，“response to defense”和“stress andhormone stimulus”是显著富集的功能簇。这些结果与非加性表达基因的富集结果一致，这意味着ELD基因与非加性表达基因共同作用于杂种优势。

图3. 亲本表达显性基因的表达模式、差异基因数量和GO富集

（5）F1中反式作用在等位基因表达中的作用

在ELD基因中，trans-effects-only基因的数量远高于总基因。表明在等位基因表达中，trans-effects-only比cis-effects-only起到更重要的作用。

图4. 具有only_trans、only_cis、cis_trans和no_cis_trans的基因的分布

（6）F1中同源基因的表达

在所有样品和基因型中，Cn比An同源基因有着更高的表达水平。分析F1和两个亲本之间的同源基因的表达水平的倍数变化，显示F1中同源基因的表达差异明显减少。

图5. An和Cn亚基因组同源基因的表达模式

（7）miRNA在杂种优势中的作用

除保守的miRNA外，分别鉴定了73个（36个家族），89个（32个家族）和85个（32个家族）的新miRNA。对差异表达的miRNA进行GO富集分析，发现SAM阶段均富集了“protein amino acidphosphorylation”途径，同时发现非加性表达基因和ELD基因也参与磷酸化途径。结果表明，miRNA介导的蛋白质氨基酸磷酸化途径调控可能参与杂种优势的调控过程。

图6. 差异miRNA的GO富集及其靶标的变化

（8）F1中24-nt siRNA簇的表达

分析表达水平与24-nt siRNA簇的数目的关系，数量的分布呈负相关，表明24-nt siRNA簇在F1中表达更多。在亲本和F1中，超过80％的24 -ntsiRNA簇与TE共定位。结果表明，在F1中24-nt siRNA簇相关的TE的活性被抑制。

图6. siRNA簇的表达模式

（9）F1具有增高的CG甲基化水平

在F1中甲基化，但双亲未甲基化的CG位点产生的原因是TE。因此，TE和基因编码区中的CG甲基化导致F1中甲基化水平升高。其中24-nt siRNA簇的数量与CG甲基化水平和TE的转录活性直接相关。

图7. 两个亲本及其F1的甲基化模式

4.讨论

（1）具有高亲本表达水平的基因（ELD）与油菜杂种的防御和激素反应有关，与DEG分析中发现的富集功能过程相符。这些发现与其他分子机制的假设一致，推测高亲本表达水平在杂种优势中起着重要的作用。

（2）在F1中鉴定的非加成表达的miRNA可能是关键调节剂，对于油菜F1的生长活力和适应性至关重要。

（3）在三个阶段中，我们观察到所有的24-nt siRNA簇的上调和DNA甲基化水平增加。

（4）ELD基因和非加性表达基因共同作用于杂种优势，主要是通过“defense and stress response”和“hormone response”途径，这两种途径同时受到miRNA和siRNA引起的甲基化的调节。

图8. 油菜的杂种优势假设模型

今天的文献分享就结束啦

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