干旱条件下玉米转座子插入关联的表观调控分析

作     者：高晨曦 郝陆洋 胡悦 李永祥 张登峰 李春辉 宋燕春 石云素 王天宇 黎裕 刘旭洋 GAO ChenXi;HAO LuYang;HU Yue;LI YongXiang;ZHANG DengFeng;LI ChunHui;SONG YanChun;SHI YunSu;WANG TianYu;LI Yu;LIU XuYang

作者机构：中国农业科学院作物科学研究所/作物基因资源与育种全国重点实验室 

出 版 物：《中国农业科学》 (Scientia Agricultura Sinica)

年 卷 期：2024年第57卷第6期

页      面：1034-1049页

核心收录：

学科分类：09[农学] 0901[农学-作物学] 

基　　金：国家重点研发计划(2020YFE0202300) 

主　　题：玉米(Zea mays L.) 抗旱性 转座子 DNA甲基化 转录组 

摘      要：【目的】干旱是全球范围影响玉米生产的最主要胁迫因素之一。解析抗旱性的遗传基础与分子机制为玉米的抗旱改良提供依据。【方法】利用代表性玉米自交系，以叶片相对含水量和散粉-吐丝间隔为指标开展田间抗旱性精准鉴定。筛选2个抗旱性极端差异的自交系，开展基因组重测序分析和转座子插入鉴定；利用全基因组重亚硫酸盐测序（WGBS）方法分析不同水分处理下叶片和根系组织的DNA甲基化水平；同时利用转录组测序方法对相同样品的基因表达进行分析；通过比较分析获得2个材料间的转座子插入缺失变异、差异甲基化区域和差异表达基因，并综合分析这三者间的相关关系。针对前期克隆的玉米抗旱基因ZCN7，分析该基因区域转座子插入缺失变异介导的DNA甲基化和基因表达变化情况。【结果】在田间干旱处理下，自交系H082183的叶片相对含水量和散粉-吐丝间隔均与正常处理没有显著差异，而旅28在所有试验材料中表现最低的叶片相对含水量和最大的散粉-吐丝间隔。利用H082183和旅28这两个抗旱性极端差异的玉米自交系开展基因组重测序和转座子插入分析，分别检测到333 754和333 296个转座子插入，其中，有89 954个转座子插入在2个自交系间具有多态性。基因组DNA甲基化分析表明，转座子、内含子和启动子区域较外显子和非编码区呈现较高的CG和CHG甲基化水平，经差异甲基化分析，在2个自交系间共检测到41 352个差异甲基化区域，其中60%的差异甲基化区域位于转座子插入缺失变异的上下游5 kb范围内。基因表达水平与基因的CG和CHG甲基化水平负相关，在2个自交系干旱下的叶片和根系中分别鉴定到4 196和3 500个差异表达基因，其中19.5%和19.7%与差异甲基化区域关联。通过对抗旱相关基因ZCN7的研究，发现该基因34 kb区间内的3个LTR类转座子插入，造成自交系旅28在干旱和正常处理下的CG和CHG甲基化显著高于抗旱自交系H082183，并且H082183中ZCN7表达量也显著高于旅28。【结论】揭示了转座子介导的表观遗传调控在玉米响应干旱胁迫中的重要作用，进一步扩展了转座子变异和DNA甲基化调控抗旱基因ZCN7表达的分子机制。