杨树响应松-杨栅锈菌侵染的DNA甲基化表观遗传调控研究

The study on stress resistance mechanism will provide new insights into the molecular mechanism of trees resistance to pathogen and accelerate the process of breeding for tree disease resistance. This project centers on the scientific theory that DNA methylation play important roles in plants biotic stress response. By using the poplar-poplar rust (Populus simonii and Melampsora larici-populina) interaction system and ssRNA-sequencing technology, we detected the physiological response of poplar under biotic stress and analyze the changes of poplar transcriptome, including the transcription profile of genes/miRNAs. Genome-scale bisulfite sequencing will be used to detect the defense-responsive DNA methylation marks. miRNA-target regulatory network, alternative splicing in response to biotic stress and mechanisms of DNA methylation will be investigated. In the course of the investigation, ssRNA sequencing and bisulfite sequencing will be firstly used to detect the transcription regulation function of DNA methylation in poplar respond to biotic stress. Combined with our previous investigation on DNA methylation in response to abiotic stress, this will improve our view of regulation mechanisms of DNA methylation in plants respond to stress and provide candidate genes to breeding with the goals of improving the tree disease resistance.

揭示林木响应逆境胁迫机制对于加速林木抗性育种具有重要的理论意义和应用价值。本项目围绕DNA甲基化在生物胁迫中起到重要表观调控作用这一科学理论，以小叶杨无性系与松-杨栅锈菌互作体系为材料，进行生物胁迫下杨树生理生化响应特性研究；利用大规模链特异性转录组测序方法筛选抗病相关基因及miRNA；利用全基因组DNA甲基化分析筛选抗病相关甲基化位点。以此为基础，开展miRNA-靶基因调控网络构建、全基因组可变剪接类型分析以及全基因组DNA甲基化表观遗传调控解析三部分研究。本项目将在林木响应生物胁迫中首次整合链特异性转录组分析以及全基因组DNA甲基化分析技术对DNA甲基化的遗传调控机制进行研究，通过与先前开展的非生物胁迫研究进行比较分析，完善林木响应逆境胁迫的分子调控机制，为林木抗病分子机理的研究提供新思考，也将为林木抗病分子育种提供重要基因资源。

揭示林木响应逆境胁迫机制对于加速林木抗性育种具有重要的理论意义和应用价值。本项目围绕DNA甲基化、小RNA在生物胁迫中起到重要表观调控作用这一科学理论，以黑杨无性系与松-杨栅锈菌互作体系为材料进行生物胁迫下杨树生理生化响应特性研究。生理生化实验结果表明，侵染后叶片的总蛋白含量低于对照组；SPS (蔗糖磷酸合成酶) 、POD (过氧化物酶) 活性、丙二醛含量均有不同程度的提高；光合指标均有不同程度下降。因此，选取生理生化实验中与栅锈菌的定植和内寄生生长有重要的关系三个时期 (对照, T01；生物营养期, T02; 锈孢子形成和释放期, T03) 进行基因表达模式、全基因组DNA甲基化水平、小RNA的分析。. 对siRNA的分布研究表明，4%的siRNA分布于假基因区域，18%分布于基因上游区域，15%在基因的下游区域，2%分布于基因的5' UTR区域，6%分布于内含子区域，48%分布于转座子区域，19%分布于基因间区。因此，siRNA簇主要富集在TE区域，这些TE序列为高拷贝的反转座子家族序列，比如，26.9% (2,556) 的TE序列为LTR序列。通过随机分布检验，假基因与转座子区域的siRNA簇分布出现了明显的富集 (P < 0.001)，表明假基因与TE区域对杨树siRNA的起源有重要的作用。此外，结果表明24 nt的siRNA簇差异区域主要分布于转座子区与基因间区，DNA甲基化与siRNA簇相关性分析表明DNA甲基化水平与siRNA表达量成负相关关系，表明甲基化抑制siRNA的表达。. 研究发现表达量高的小RNA序列与更多的栅锈菌靶基因互补，这暗示siRNA可能在植物抵御病原菌侵染的过程中有重要的作用。结果表明95%以上的基因可能被植物来源的小RNA调控。进一步研究表明，相比对照，siRNAs靶向更多的病原菌效应因子，表明侵染过程中植物来源的siRNAs更倾向于调控病原菌的关键致病因子。如能利用本项目结果开发合适的siRNAs序列应用于林木病害防治，将为林木抗病提供新的解决方案。同时，本项目将完善林木响应逆境胁迫的分子调控机制，为林木抗病分子机理的研究提供新思考，也将为林木抗病分子育种提供重要基因资源。