全基因組DNA甲基化和小RNA分析揭示甘藍(lán)型油菜種子的基因組不對稱性
多倍體是被子植物基因組進(jìn)化中的一種持續(xù)現(xiàn)象，有助于現(xiàn)存開花植物的多樣性。甘藍(lán)型油菜（Brassica napus）是世界上最重要的被子植物油料作物品種之一，起源于Brassica rapa（An）和Brassica oleracea（Cn）的種間雜交。盡管轉(zhuǎn)錄組學(xué)中基因組優(yōu)勢的趨勢開始顯現(xiàn)，但多倍體在生殖發(fā)育過程中的表觀遺傳學(xué)和小RNA（small RNA，sRNA）調(diào)控機(jī)制知之甚少。種子是向新孢子體代的關(guān)鍵發(fā)育過渡，并隨時間發(fā)生表觀遺傳修飾。雙二倍體（amphidiploids）種子發(fā)育的協(xié)調(diào)需要祖細(xì)胞（Progenitor cell）基因組的表觀遺傳平衡。雖然DNA甲基化和RNA干擾是支持發(fā)育的關(guān)鍵過程，但將它們與種子發(fā)育聯(lián)系起來的許多細(xì)節(jié)仍在出現(xiàn)，尤其是在異源多倍體中。
2023年05月17日，加拿大曼尼托巴大學(xué)生物科學(xué)系Mark F Belmonte團(tuán)隊(duì)在《The Plant Journal》雜志發(fā)表題為“Genomic asymmetry of the Brassica napus seed: epigenetic contributions of DNA methylation and small RNAs to subgenome bias”的研究論文，該研究利用WGBS和sRNA-seq等實(shí)驗(yàn)揭示了DNA甲基化和小RNA在甘藍(lán)型油菜種子亞基因組偏好中的表觀遺傳作用。
標(biāo)題：Genomic asymmetry of the Brassica napus seed: epigenetic contributions of DNA methylation and small RNAs to subgenome bias（甘藍(lán)型油菜種子的基因組不對稱性：DNA甲基化和小RNA對亞基因組偏好的表觀遺傳貢獻(xiàn)）
時間：2023-05-17
期刊：The Plant Journal
影響因子：IF 7.091
技術(shù)平臺：WGBS、sRNA-seq等
研究摘要
本研究分析了甘藍(lán)型油菜（B. napus）種子發(fā)育過程中，An和Cn兩個亞基因組以及祖代縮減的基因組（ancestral fractionated genome）中DNA甲基化和小干擾RNA（small interfering RNA，siRNA）圖譜的偏好發(fā)生率。研究結(jié)果表明，Cn亞基因組的siRNA表達(dá)和胞嘧啶甲基化的普遍存在偏好，其中Cn亞基因組啟動子區(qū)域的DNA甲基化尤為富集。此外甘藍(lán)型油菜祖代三倍體亞基因組中的siRNA轉(zhuǎn)錄模式是保守的，而在An和Cn兩個亞基因組中不保守。從基因組縮減和多倍體化角度研究了甘藍(lán)型油菜種子的甲基化模式與基因、啟動子區(qū)域、siRNA位點(diǎn)和轉(zhuǎn)座元件（transposable element，TE）相關(guān)。本研究為甘藍(lán)型油菜種子發(fā)育過程中選擇性沉默Cn亞基因組的表觀遺傳調(diào)控提供了證據(jù)，并探討了基因組縮減對甘藍(lán)型油菜種子表觀遺傳組分的影響。
研究結(jié)果
（1）甘藍(lán)型油菜種子甲基化組單堿基分辨率圖譜揭示了Cn亞基因組偏好
表1：甘藍(lán)型油菜葉片、GLOB期和MG期種子基因組上1 kb窗口的甲基化百分比
（2）啟動子元件的差異甲基化靶向參與甘藍(lán)型油菜種子碳代謝和發(fā)育的基因
（3）相對于其他蛋白質(zhì)編碼基因，轉(zhuǎn)錄因子（TF）低甲基化
表2：RE（TE）、基因體和啟動子元件（TSS上游1 kB窗口）、TF基因體和啟動子以及siRNA簇的甲基化百分比
（4）縮減的基因組在基因和啟動子上表現(xiàn)出不同的甲基化
圖4：基因組的DNA甲基化表征：基因、啟動子區(qū)域（prom）、重復(fù)元件（RE）和siRNA位點(diǎn)。
以甘藍(lán)型油菜（Brassica napus）的縮減基因組（最少縮減(LF)、最多縮減(MF1、MF2)）及其對應(yīng)的亞基因組（A、C）劃分的箱型圖和晶須圖。
（5）種子成熟以轉(zhuǎn)錄的siRNA位點(diǎn)數(shù)量增加為表征
（6）甘藍(lán)型油菜種子中轉(zhuǎn)座元件（TE）和基因啟動子區(qū)域編碼大部分轉(zhuǎn)錄sRNA
圖6：由轉(zhuǎn)座元件（TE）、基因體和啟動子編碼的小干擾RNA（siRNA）簇。
（7）祖代基因組縮減對種子發(fā)育過程中的siRNA積累影響不大
圖7：種植發(fā)育OV期、GLOB期、heart期、MG期和DS期的最少縮減（LF)和最多縮減（MF1和MF2）基因組＞1 read/M（RPM）siRNA位點(diǎn)小提琴圖
（8）基因組縮減對非蛋白編碼元件的影響小于對基因體和啟動子區(qū)域的影響
圖8：在CHG和CHH甲基化環(huán)境中，基因、啟動子、轉(zhuǎn)座元件（TE）和小干擾（si）RNA位點(diǎn)的高度不顯著比較（P>0.1，Mann-Whitney-Wilcoxon）。
（a）球形期（GLOB）、（b）綠熟期（MG）、（c）GLOB-MG的比較。
結(jié)論
總之，本研究為甘藍(lán)型油菜種子中Cn亞基因組的表觀遺傳偏好和基因組中非蛋白編碼元件的表觀遺傳調(diào)控機(jī)制提供了證據(jù)。本研究數(shù)據(jù)表明，基因組縮減并沒有實(shí)質(zhì)性地改變轉(zhuǎn)座子和種子發(fā)育過程中calling的siRNA甲基化譜。種子的表觀遺傳結(jié)構(gòu)可能是決定甘藍(lán)型油菜進(jìn)化軌跡的重要因素，尤其與多倍體作物相關(guān)。
參考文獻(xiàn)：Ziegler DJ, Khan D, Pulgar-Vidal N, Parkin IAP, Robinson SJ, Belmonte MF. Genomic asymmetry of the Brassica napus seed: epigenetic contributions of DNA methylation and small RNAs to subgenome bias. Plant J. 2023 May 17. doi: 10.1111/tpj.16254. PubMed PMID: 37195091.
2023年05月17日，加拿大曼尼托巴大學(xué)生物科學(xué)系Mark F Belmonte團(tuán)隊(duì)在《The Plant Journal》雜志發(fā)表題為“Genomic asymmetry of the Brassica napus seed: epigenetic contributions of DNA methylation and small RNAs to subgenome bias”的研究論文，該研究利用WGBS和sRNA-seq等實(shí)驗(yàn)揭示了DNA甲基化和小RNA在甘藍(lán)型油菜種子亞基因組偏好中的表觀遺傳作用。
標(biāo)題：Genomic asymmetry of the Brassica napus seed: epigenetic contributions of DNA methylation and small RNAs to subgenome bias（甘藍(lán)型油菜種子的基因組不對稱性：DNA甲基化和小RNA對亞基因組偏好的表觀遺傳貢獻(xiàn)）
時間：2023-05-17
期刊：The Plant Journal
影響因子：IF 7.091
技術(shù)平臺：WGBS、sRNA-seq等
研究摘要
本研究分析了甘藍(lán)型油菜（B. napus）種子發(fā)育過程中，An和Cn兩個亞基因組以及祖代縮減的基因組（ancestral fractionated genome）中DNA甲基化和小干擾RNA（small interfering RNA，siRNA）圖譜的偏好發(fā)生率。研究結(jié)果表明，Cn亞基因組的siRNA表達(dá)和胞嘧啶甲基化的普遍存在偏好，其中Cn亞基因組啟動子區(qū)域的DNA甲基化尤為富集。此外甘藍(lán)型油菜祖代三倍體亞基因組中的siRNA轉(zhuǎn)錄模式是保守的，而在An和Cn兩個亞基因組中不保守。從基因組縮減和多倍體化角度研究了甘藍(lán)型油菜種子的甲基化模式與基因、啟動子區(qū)域、siRNA位點(diǎn)和轉(zhuǎn)座元件（transposable element，TE）相關(guān)。本研究為甘藍(lán)型油菜種子發(fā)育過程中選擇性沉默Cn亞基因組的表觀遺傳調(diào)控提供了證據(jù)，并探討了基因組縮減對甘藍(lán)型油菜種子表觀遺傳組分的影響。
圖1：甘藍(lán)型油菜種子發(fā)育的表觀遺傳模型假設(shè)
- 從配子體發(fā)生（gametogenesis）到成熟期結(jié)束，種子發(fā)育可分為5個離散時期：胚珠期（ovule，OV）、球形期（globular，GLOB）、心形期（heart）、綠熟期（mature green，MG）和干種子期（dry seed，DS）。所有五個時期進(jìn)行sRNA-seq測序分析，同時對球形期（GLOB）和綠熟期（MG）的種子進(jìn)行全基因組重亞硫酸鹽測序（WGBS），GLOB期和MG期分別代表了形態(tài)發(fā)生和成熟開始的關(guān)鍵發(fā)育轉(zhuǎn)變。
- 共線性圖顯示了雙二倍體甘藍(lán)型油菜基因組中每條染色體最大的連續(xù)共線性區(qū)，Brassica rapa（Br）的An亞基因組，Brassica oleracea（Bo）的Cn亞基因組。
- 表觀遺傳保守性的假設(shè)模型——基因組的broad共線區(qū)表明兩個亞基因組之間的高度保守。這些區(qū)域的保守可能導(dǎo)致生殖中類似的表觀遺傳結(jié)構(gòu)。
研究結(jié)果
（1）甘藍(lán)型油菜種子甲基化組單堿基分辨率圖譜揭示了Cn亞基因組偏好
表1：甘藍(lán)型油菜葉片、GLOB期和MG期種子基因組上1 kb窗口的甲基化百分比圖2：甘藍(lán)型油菜種子發(fā)育中的DNA甲基化
- 平均胞嘧啶甲基化水平。顯示球形期（GLOB，綠色）、綠熟期（MG，藍(lán)色）和質(zhì)體（plastidial，灰色）基因組所有覆蓋胞嘧啶的平均甲基化。
- 甘藍(lán)型油菜An和Cn兩個亞基因組中甲基化縮減的基因組水平：最少縮減（LF）、最多縮減（MF1和MF2）。分位數(shù)箱線圖顯示在CG、CHG和CHH中，葉片、GLOB期種子和MG期種子的共線性區(qū)域1 kB窗口中的胞嘧啶甲基化水平。
（2）啟動子元件的差異甲基化靶向參與甘藍(lán)型油菜種子碳代謝和發(fā)育的基因
圖3：在種子發(fā)育全過程中，不同基因組元件的DNA甲基化變化。
- 百分比堆積柱形圖顯示球形期（GLOB）種子和綠熟期（MG）種子以及葉片之間的高甲基化和低甲基化基因（GENE）、1 kb上游調(diào)控區(qū)（啟動子，PROM）和轉(zhuǎn)座元件（transposable element,TE）。分別為GLOB期種子（橙色）或MG期種子（淺橙色）中的高甲基化，GLOB期種子（黃色）或MG期種子（淺黃色）中的低甲基化，GLOB期種子和MG期種子中的高甲基化（深藍(lán)）或低甲基化（淺藍(lán)）。
- 種子發(fā)育GLOB期和MG期的啟動子差異甲基化基因GO富集分析。深色表示高度富集。
（3）相對于其他蛋白質(zhì)編碼基因，轉(zhuǎn)錄因子（TF）低甲基化
表2：RE（TE）、基因體和啟動子元件（TSS上游1 kB窗口）、TF基因體和啟動子以及siRNA簇的甲基化百分比
（4）縮減的基因組在基因和啟動子上表現(xiàn)出不同的甲基化
以甘藍(lán)型油菜（Brassica napus）的縮減基因組（最少縮減(LF)、最多縮減(MF1、MF2)）及其對應(yīng)的亞基因組（A、C）劃分的箱型圖和晶須圖。
（5）種子成熟以轉(zhuǎn)錄的siRNA位點(diǎn)數(shù)量增加為表征
圖5：甘藍(lán)型油菜種子發(fā)育過程中的小干擾RNA（siRNA）reads積累
- 種子發(fā)育不同時期的文庫中總siRNA位點(diǎn)的reads/M（RPM）比例表現(xiàn)出出一致的Cn亞基因組偏好。
- 在種子發(fā)育早期，較少siRNA位點(diǎn)占總reads較大比例，而reads在綠熟期（MG）比胚珠期（OV）、球形期（GLOB）、心形期（heart）分布更均勻。
（6）甘藍(lán)型油菜種子中轉(zhuǎn)座元件（TE）和基因啟動子區(qū)域編碼大部分轉(zhuǎn)錄sRNA
圖6：由轉(zhuǎn)座元件（TE）、基因體和啟動子編碼的小干擾RNA（siRNA）簇。
- siRNA在種子發(fā)育全過程中以一致的Cn亞基因組偏好性積累。
- 源于基因體的siRNA在DS期積累最強(qiáng)，數(shù)量少于由啟動子區(qū)編碼的siRNA。
- 啟動子區(qū)siRNA在綠熟期（MG）表達(dá)最為富集，從胚珠期（OV）到MG期表達(dá)增加。啟動子區(qū)域比基因體編碼的siRNA表現(xiàn)出更強(qiáng)的亞基因組偏好。
- 對與啟動子區(qū)域相關(guān)的編碼基因（每個種子階段最高表達(dá)的500個siRNA簇）進(jìn)行GO富集分析，該啟動子區(qū)域編碼每個種子階段最高表達(dá)的500個siRNA簇。
（7）祖代基因組縮減對種子發(fā)育過程中的siRNA積累影響不大
圖7：種植發(fā)育OV期、GLOB期、heart期、MG期和DS期的最少縮減（LF)和最多縮減（MF1和MF2）基因組＞1 read/M（RPM）siRNA位點(diǎn)小提琴圖
（8）基因組縮減對非蛋白編碼元件的影響小于對基因體和啟動子區(qū)域的影響
（a）球形期（GLOB）、（b）綠熟期（MG）、（c）GLOB-MG的比較。
結(jié)論
總之，本研究為甘藍(lán)型油菜種子中Cn亞基因組的表觀遺傳偏好和基因組中非蛋白編碼元件的表觀遺傳調(diào)控機(jī)制提供了證據(jù)。本研究數(shù)據(jù)表明，基因組縮減并沒有實(shí)質(zhì)性地改變轉(zhuǎn)座子和種子發(fā)育過程中calling的siRNA甲基化譜。種子的表觀遺傳結(jié)構(gòu)可能是決定甘藍(lán)型油菜進(jìn)化軌跡的重要因素，尤其與多倍體作物相關(guān)。
參考文獻(xiàn)：Ziegler DJ, Khan D, Pulgar-Vidal N, Parkin IAP, Robinson SJ, Belmonte MF. Genomic asymmetry of the Brassica napus seed: epigenetic contributions of DNA methylation and small RNAs to subgenome bias. Plant J. 2023 May 17. doi: 10.1111/tpj.16254. PubMed PMID: 37195091.
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