基于组学的成龄转基因杨树DNA甲基化差异研究

With the rapid development of the research and application of transgenic technology in the world, the functional mechanism of exogenous genes in transgenic plants has been attracted more and more attentions by scholars from the world. As one of the main ways of epigenetic modification, DNA methylation plays an important role in plant growth, development and adaptation to environmental changes. Nowdays, there is nearlly no report on the difference of DNA methylation level in the whole genome of transgenic trees in different environments. In this study, we first do the research on the difference in DNA methylation between 8 to 10-year-old transgenic poplar and non- transgenic poplar on the level of whole genome by bisulfite sequencing in three different ecological environments, including cold arid saline areas, non-cold and semi-arid inland saline areas and semi-arid temperate non saline area. The main contents of this research include the construction of whole genome DNA methylation profile, the comparison of DNA methylation level differences between adult transgenic poplar and non-transgenic poplar methylation patterns, the mining of the resistant genes co-regulated by the exogenous gene and methylation mutation, the exploring of the co-regulation effect between exogenous gene and methylation mutation, and the revealing of molecular mechanism of enhanced resistance of transgenic poplar. This work will facilitate us to store a large number of useful genetic resources for the breeding of transgenic trees and it is of great significance to improve the breeding efficiency and accelerate the commercialization of genetically modified trees.

随着全球转基因技术研究与产业应用的迅速发展，外源基因在转基因植物中作用机制倍受国内外学者关注。DNA甲基化作为表观遗传修饰主要途径之一，在植物生长发育及适应环境变化等方面发挥重要作用。目前关于不同环境下多年生转基因林木全基因组水平DNA甲基化差异研究还未见报道。本研究首次以寒冷半干旱非盐碱地区、寒冷半干旱内陆盐碱地区以及温带半干旱非盐碱地区3个不同生态环境下成龄抗逆转基因杨树及非转基因杨树为研究对象，采用BS-seq技术进行全基因组水平DNA甲基化测序，从组学水平上研究其DNA甲基化水平差异，明确成龄转基因杨树和非转基因杨树甲基化模式；深入挖掘外源基因导入及甲基化变异协同调控抗逆相关功能基因，探讨外源基因导入及甲基化变异协同调控效应，从表观遗传水平上揭示转基因杨树抗性增强的分子机理。为转基因林木育种储存有用基因资源，对后续提高林木抗性改良育种效率，加速转基因林木商品化推广应用具有重要意义。

本研究采用WGBS测序全面分析不同生态区转基因杨树及非转基因杨树全基因组甲基化水平，结果显示基因组甲基化以CG型为主平均甲基化率为30.83%，不同功能元件区域甲基化水平主要取决于CG型甲基化水平，基因内部区域甲基化水平较高，基因组中CHG位点序列为CAG时最易被甲基化，而CHH位点序列为CAA时最易被甲基化。不同地区转基因杨树与非转基因杨树甲基化差异模式不同，盐碱地区转基因杨树甲基化水平高于非转基因杨树，转基因杨树与非转基因杨树间DMR主要为高甲基化模式；在非盐碱地区转基因杨树甲基化水平低于非转基因杨树，DMR主要为低甲基化模式；不同生态环境间转基因杨树和非转基因杨树的甲基化差异模式不同，与非盐碱地区相比，转基因杨树甲基化水平较高，DMR主要为CG和CHG型高甲基化模式，非转基因杨树甲基化水平较低，CG和CHG型DMR甲基化模式与转基因杨树相反。DMR区显著差异甲基化基因筛选获得受外源基因导入（347个）或环境因素影响（483个）差异甲基化基因830个，受外源基因导入及环境因素协同作用影响差异甲基化基因1113个。不同生态条件下转基因杨树与非转基因杨树甲基化调控基因表达模式不同，转基因杨树与非转基因杨树间受DNA甲基化调控差异表达基因较少，主要受CHH型甲基化基因调控，但在大庆盐碱地区主要以负调控为主，模式为低甲基化高表达，在齐齐哈尔地区主要以正调控为主，模式为低甲基化低表达；不同环境间转基因杨树和非转基因杨树中受甲基化调控的差异表达基因较多，以负调控为主，调控模式为低甲基化高表达。综上所述，外源基因导入对转基因杨树甲基化差异及调控模式影响较小，主要影响了转基因杨树CG、CHG型DMR差异甲基化模式，而CHH型DMR主要受环境因素影响，土壤类型等环境变化对其影响更为显著，外源基因与环境互作的交互作用是转基因杨树可能是转基因杨树与非转基因杨树间差异甲基化模式的主要原因。