DNA甲基化调控普通小麦亚基因组基因表达的机制及其对种子发育的影响

Many epigenetic marks play important roles in genomic asymmetry of allopolyploid that different subgenomes control different morphological, physiological, and molecular traits. But the molecule mechanism of its role is not yet clear. The wheat (Triticum aestivum) is an allohexaploid. In previous studies, we have got the extracted tetraploid wheat (ETW) ploidy-reversed wheat. The seeds of ETW are smaller than its bread wheat donor and natural tetraploid wheat, the seed size is recovered after resynthesized allohexaploid wheat (XX329) parented by ETW. ETW is globally less cytosine-methylated than T. turgidum, extent of the DNA methylation-based epigenetic population differentiations were greater than the genetic differentiations for ETW versus dicoccoides and ETW versus durum. How do the DNA methylation regulate genes expression of ETW? What is the relationship between changes of DNA methylation and changed seed size? The research of these questions will enrich the theory of epigenetics regulated allopolyploid evolution, and provide important reference of genetic improvement of polyploid crops. This project will investigate DNA methylation roles in wheat gene expression among subgenomes and seed development, using the transcriptome and whole-genome DNA methylation sequencing data of endosperm of ETW, the common wheat donor, T. turgidum subsp. durum and resynthesized allohexaploid wheat (XX329). The results are expected to provide molecular bases for the improvement of biomass and seed yield in wheat production.

表观遗传修饰可导致异源多倍体物种不同亚基因组的基因表达不平衡，进而影响植物生长发育，调控作物不同表型，但其作用分子机制尚不明了。栽培小麦是异源六倍体，在前期研究中，创制了抽提四倍体小麦这一特殊材料，发现其种子相对于六倍体供体和天然四倍体小麦显著变小，而重新合成六倍体后，种子大小恢复，进一步比较其与硬粒小麦和野生二粒小麦的差异，发现DNA甲基化差异比基因组序列的差异更显著。甲基化是否以及如何调控抽提四倍体小麦的基因表达，甲基化水平的变化与其种子大小变化之间的关系如何？这些问题的回答将丰富表观遗传调控多倍体进化的理论。本研究拟以抽提四倍体小麦、其普通小麦供体、硬粒小麦和重新合成的六倍体小麦为材料，通过胚乳的转录组和全基因组DNA甲基化分析，解析DNA甲基化对普通小麦亚基因组基因表达的调控机制，阐明这一表观调控在种子发育中的作用。预期结果将为提高小麦产量提供理论依据。

普通小麦是研究多倍体作物进化和驯化的很好的遗传模型。它经历了两次杂交加倍，这个过程伴随着遗传和表观遗传的变化，其中包括DNA甲基化的改变。但是，小麦从四倍体到六倍体的过程中，表观修饰对小麦进化的影响的未知。从六倍体小麦中抽提的四倍体小麦（extracted tetraploid wheat，ETW，BBAA）种子皱缩，育性降低，说明在六倍体的进化过程中AB亚基因组发生了遗传学和表观遗传的改变。本研究报道了ETW、天然六倍体小麦（natural hexaploid wheat，NHW）、天然四倍体小麦（natural tetraploid wheat ，NTW）、二倍体粗山羊草（DD）和重新合成六倍体小麦（resynthesized hexaploid wheat，RHW）的全基因组DNA甲基化修饰模式。胚乳中，ETW相对NHW呈现全基因组低DNA甲基化，尤其是CHG背景甲基化（H=A, T or C）降低。ETW中低甲基化的差异甲基化区域（hypo-differentially methylated regions，hypo-DMRs）数目（850,832个）是高甲基化DMR区域的24倍。当ETW和粗山羊草重新合成六倍体后，ETW低甲基化区域重新甲基化。ETW中，hypo-DMRs调控基因表达，转座元件（TEs）去甲基化，导致六倍体中沉默的TEs激活表达。NHW中，相对NTW和Ae. tauschii在三个亚基因组中扩增的TEs，调控其临近基因表达。此外，ETW中hypo-DMRs与降低的H3K9me2水平和表达增加的组蛋白基因关联，阐明了六倍体小麦基因组分离后表观修饰变化对基因表达的调控。基因组分离和合并引起动态、可恢复的DNA甲基化改变，这些变化与基因表达和TE激活相关联。本研究揭示了小麦和多倍体进化中DNA甲基化的调控作用，为多倍体作物育种调控新的理论基础。