杨树多倍化早期世代遗传及表观遗传变异研究

The tetraploid and triploids poplar that we have gained appear obvious differences from their diploid parents and fullsibs in phenotypes such as size of leave and shades of colour. Preliminary results from AFLP and MSAP with these genetic materials have clearly differentiated polyploidy from their diploid fullsibs within the same parent combination. These materials with distinct pedigree provide an appropriate genetic model system for studying mechanism of polyploidy evolution in woody plant. It is difficult to recognise the genetic effects between hybridization and polyploidization lacking of such genetic model system. So the changes of genome structure and gene expression and their molecular mechanism caused by polyploidization in poplar are unknown at present. We intend to explore the characters of genetic and epigenetic variations of gene expression through composing of nuclear genome, methylation of DNA and regulation of transcriotion in our unique synthetic polyploidy system in early generation using AFLP, MSAP, bisulfate sequencing and miRNA analysis, and to reveal the related molecular mechanisms. The results of this research will have vital significance for further research in molecular mechanism of changes in gene expression caused by polyploidization and provide a theoretical basis for evolution mechanism and polyploid breeding in woody plant.

我们已获得的黑杨三倍体、四倍体与其亲本及二倍体全同胞在叶片大小、颜色深浅等表型上有明显差异，初步的AFLP和MSAP分析可明确区分亲本形成多倍体与二倍体子代的不同，这为研究木本植物多倍化的进化机制提供了遗传谱系明确的模式材料体系。目前，由于缺乏这样的遗传材料体系，难以清晰区分杂交与多倍化的遗传变异，对于木本植物多倍化引起的遗传及表观遗传特性及其分子机制尚不清楚。因此，本研究拟利用这些独特的遗传材料体系采用AFLP、MSAP分子标记、重亚硫酸盐直接测序法和miRNA分析等手段从核基因组构成、DNA甲基化水平、转录调控等多个层次对多倍体黑杨早期世代的遗传和表观遗传特性进行研究，初步揭示多倍体黑杨早期世代由于多倍化引起的遗传及表观遗传变异的分子机制。上述机制的揭示，对阐明木本植物多倍化引起基因变化的特性及其分子机制具有极其重要的意义，可为揭示木本植物多倍化进化机制及其多倍体育种提供理论基础。

木本植物多倍化引起的遗传及表观遗传特性及其分子机制尚不清楚，本研究利用我们通过染色体加倍技术获得的杨树三倍体、四倍体与其亲本及二倍体全同胞为独特的遗传材料体系，采用AFLP、MSAP分子标记、和miRNA分析等手段从核基因组构成、DNA甲基化水平、转录调控等多个层次对杨树多倍化早期世代的遗传和表观遗传特性进行研究，结果显示：1. 异源多倍化和杂交均可诱发基因组的广泛变化，与双亲相比，多倍体基因组变化主要表现为部分亲本序列丢失及特异新序列产生，不同倍性之间相比以多态性条带为主，且主要为不同倍性材料的特异性位点；2.异源多倍化和杂交均可诱发基因组甲基化模式发生变化，多倍体的总甲基化平均水平低于两个亲本及其二倍体全同胞的平均水平，主要以去甲基化为主；3.杨树二倍体亲本及其多倍体和二倍体子代的sRNA在功能及对靶基因的调控方式上表现出了多样性的特点，对三倍体混池文库（TOM）与三个二倍体文库（DFP、DMP、DOM）的差异靶基因进行GO和KEGG富集分析发现，差异靶基因均集中于分子功能的ADP binding方面，表明基因组倍增后，miRNA的调控网络变化主要影响其靶基因分子功能，而差异靶基因的代谢富集通路均集中于植物与病原菌互作通路，表明基因组多倍化过程可能影响多倍体子代在抗病性方面的表现。这些机制的揭示，对阐明木本植物多倍化引起基因变化的特性及其分子机制具有极其重要的意义，可为揭示木本植物多倍化进化机制及其多倍体育种提供理论基础。