基于DNA甲基化的水稻與陸稻的表觀遺傳分化研究.pdf

1、水稻的生產(chǎn)越來越受到水資源匱乏的限制，節(jié)水抗旱稻能夠提高水分的利用效率減輕干旱帶來的威脅。陸稻作為培育節(jié)水抗旱稻的重要材料在抗旱表型和基因組上與水稻有一定的差別。DNA甲基化作為表觀遺傳的重要方面，在植物抵御非生物脅迫、增強環(huán)境適應(yīng)性中起著重要作用。
　　本文采用甲基化敏感多態(tài)性(MSAP)技術(shù)研究了來自河北、江蘇、廣西和貴州的180份水稻和陸稻地方品種，分析了水稻、陸稻的表觀遺傳分化及在受到20％PEG脅迫與復(fù)水后的DNA甲基化

2、變化的差異。此外，還比較了表觀遺傳分化與遺傳分化之間的異同，測定了幾個與滲透脅迫有關(guān)的表型指標(biāo)。本研究的主要結(jié)果與結(jié)論如下:
　　1.20％的PEG脅迫處理促使水稻DNA甲基化整體水平略有升高。非甲基化帶型11在正常條件(CK)下占42.7％，受到PEG脅迫(OS)后減小為40.8％，外部胞嘧啶甲基化帶型10在CK和OS中分別為18.4％、16.7％，超甲基化帶型00的變化恰好相反，CK時為13.2％，OS時為17.0％。

3、　　2.水稻、陸稻之間的多態(tài)性位點百分比差異要小于秈稻、粳稻之間的差異，粳稻中的多態(tài)性位點百分比都要高于秈稻。香農(nóng)指數(shù)在各群體之間的差異不大。
　　3.PEG處理使過半數(shù)的位點甲基化狀態(tài)發(fā)生了改變但在幾個群體中差異不大。處理前后粳陸、粳水、秈陸、秈水中去甲基化比例分別為22.96％、26.55％、23.69％、22.99％，甲基化比例為29.60％、26.36％、29.92％、30.95％。在甲基化狀態(tài)變化過程中10-11/11-

4、10這種條帶變化比例最多，在未變化的位點中非甲基化狀態(tài)比較穩(wěn)定。
　　4.CK、OS條件下表觀遺傳和基因組的主成分分析(PCA)結(jié)果分別共解釋總變量的58.08％、51.70％、73.74％。表觀遺傳的PCA結(jié)果中，在CK條件下第一和第二主成分分別解釋變量的37.11％、20.97％，在粳稻中水陸分化比較明顯。遭受20％PEG脅迫之后，第一和第二主成分分別解釋變量的34.51％、17.19％。在基因組的PCA結(jié)果中，第一和第二主成

5、分分別解釋變量的62.96％、10.78％。其中秈粳的結(jié)構(gòu)明顯，僅在粳稻中存在部分的水陸分化。PCA的結(jié)果與Structure的結(jié)果基本一致。這表明在長期的遺傳進化中秈粳亞種間的分化程度要高于水陸且粳稻中水陸分化的程度大于秈稻，而PEG處理后粳水和粳陸的差異變小。
　　5.在CK條件下，秈稻和粳稻中的水陸之間分別檢測到77、94個選擇性位點，OS條件下分別檢測到82、89個。不管在CK還是OS條件下，秈稻、粳稻中水陸分化的選擇性位

6、點只存在極少部分的重合。
　　6.粳水、粳陸在CK、OS條件下的選擇性位點的表觀遺傳分化指數(shù)(Φst)為0.137和0.134，秈水、秈陸為0.187和0.137。來自同一區(qū)域的水陸材料之間的遺傳分化指數(shù)(Fst)值小，而Φst則不同。CK與OS條件下表觀遺傳分化與降雨量有顯著的相關(guān)關(guān)系(R2=0.902、p＜0.01; R2=0.989、p＜0.01)，隨著降雨量的增加表觀遺傳分化減小。
　　7.CK條件下粳水的選擇性位點

7、的甲基化率要顯著的高于粳陸的甲基化率(0.724，0.611，P＜0.05)，秈稻中也是如此(0.697，0.588，P＜0.05)，而在脅迫之后差異消失。我們推測在長期的進化過程中陸稻趨向于低甲基化狀態(tài)，一些與抗旱相關(guān)的基因處于表達的預(yù)備狀態(tài)中，當(dāng)遇到脅迫時陸稻能更快、更容易的發(fā)生去甲基化，啟動相關(guān)基因的表達。
　　8.Mental分析顯示在CK條件下粳水、粳陸中選擇性位點、中性位點都與總抗氧化能力、雙氧水等表型指標(biāo)成顯著相關(guān)(

8、R2=0.008、P＜0.01;R2=0.015、P＜0.05)，秈水、秈陸中也是如此(R2=0.064、P＜0.01; R2=0.039、P＜0.01)。說明正常條件下表觀遺傳在植物長期進化、表型的形成中扮演重要的角色。20％PEG處理之后無論在粳水、粳陸(R2=0.004、P＜0.05)還是秈水、秈陸中(R2=0.029、P＜0.01)，處理條件下的選擇性位點與處理后各個表型指標(biāo)的數(shù)據(jù)呈顯著相關(guān)。說明在表觀遺傳上存在受選擇的位點在水

9、稻、陸稻抵抗干旱脅迫中具有重要的作用。
　　綜上所述，本研究主要有以下重要的發(fā)現(xiàn):1.水稻、陸稻整體的表觀遺傳分化程度不高，但在選擇性位點上分化程度較高。2.表觀遺傳分化與降雨量存在顯著相關(guān)，在一定范圍內(nèi)與降雨量成反比。3.水稻、陸稻應(yīng)對脅迫反應(yīng)的變化存在差異，與水稻相比陸稻在正常條件下處于低甲基化狀態(tài)。推測當(dāng)遇到脅迫時陸稻能更快、更容易的發(fā)生去甲基化，啟動相關(guān)基因的表達。4.正常、脅迫條件下選擇性位點數(shù)據(jù)與表型數(shù)據(jù)存在顯著相關(guān)，