棉纤维发育的染色质可及性及关键基因研究
作者单位：山西农业大学
学位级别：硕士
导师姓名：黄晋玲;卢全伟
授予年度：2022年
主 题：染色质可及性 ATAC-seq RNA-seq 纤维发育 CalSs
摘 要：棉纤维是胚珠外珠被表皮细胞分化而成的单细胞表皮毛,发育过程历经起始、伸长(初生壁合成)、增厚(次生壁合成)和脱水成熟四个阶段。研究影响纤维发育的遗传机制,对棉花纤维品质和产量的改善至关重要。越来越多的研究表明,染色质的结构是动态可变的,基因转录活跃时核小体排列松散,转录活跃区(如启动子、增强子)允许反式作用因子(如转录因子)与该区域上的顺式作用元件结合,参与基因的转录调控。易被反式作用因子结合的区域为开放染色质区域,反式作用因子与该区域DNA发生物理接触的程度为染色质可及性。本研究通过使用转座酶可及性测序(Assay for transposase-accessible chromatin using sequencing,ATAC-seq)结合转录组测序(RNAseq)来探索陆海渐渗系材料MBI7747和轮回亲本CCRI45染色质可及性和基因表达的差异,然后进行整合分析以解析调控纤维发育相关基因差异表达的机理。有研究报道,胼胝质参与棉花纤维伸长调控,本研究通过转录组测序鉴定到两个胼胝质合成酶(callose synthase,Cal S)基因,并对该基因在4个棉种中进行了全基因组鉴定及分析以明确胼胝质合成酶基因在纤维发育过程中的表达模式。本研究主要结果有:1、本研究将MBI7747和CCRI45在10 DPA(days post anthesis,DPA)和20 DPA的棉花纤维细胞的基因表达情况进行比较,分别在10 DPA和20 DPA获得了1836(上调1010,下调826)和1188(上调632,下调556)个差异表达基因(Differentially expressed genes,DEGs)。10 DPA的差异表达基因数目明显多于20 DPA。通过KEGG富集分析可知,所有DEGs主要参与代谢途径、氨基糖和核苷酸糖代谢途径、抗坏血酸和醛糖酸盐代谢途径,且大量存在于次生合成代谢途径和植物激素信号转导途径。通过GO富集分析可知,所有DEGs主要富集在碳水化合物代谢过程、半纤维素代谢过程、细胞壁基因等细胞壁相关生物学过程。DEGs所富集的通路与生物学过程大多均与棉花纤维发育重要通路及过程相关,可见所选的10 DPA和20 DPA确实为影响MBI7747和CCRI45棉纤维伸长和加厚的关键期。2、利用ATAC-seq研究MBI7747和CCRI45之间开放染色质区域的分布情况,开放染色质区域主要分布在基因间区和启动子区域。染色质可及性信号在转录起始位点最强。我们分别在10 DPA和20 DPA时鉴定了14656(上调9659,下调4997)和560(上调323,下调237)个差异染色质可及性区域。10 DPA时大量染色质可及性的差异导致了许多纤维伸长关键基因的差异表达,故纤维快速伸长期10 DPA时染色质可及性的差异可能是导致两材料在纤维长度出现显著差异的重要原因。其中,MBI7747相比于CCRI45在各时期有更多的基因受多个调控元件调控。3、染色质可及性的改变有助于纤维细胞中相关基因的差异表达。差异染色质可及性区域与差异表达基因联合分析得出10 DPA时总共有193个DEGs与MBI7747高可及性区域相关,214个同低可及性区域相关。20 DPA时总共有13个DEGs与MBI7747高可及性区域相关,13个同低可及性区域相关。对这些交集的基因进行KEGG功能注释并与上述差异表达基因和差异染色质可及性区域富集的KEGG通路整合后推测植物激素信号转导、氧化磷酸化、氨基糖和核苷酸糖代谢通路中基因对MBI7747较为优异的纤维品质做出了贡献。4、通过homer分析在差异的染色质可及性区域富集的转录因子motif。10 DPA时,NAC、MADS-box、AP2EREB等转录因子motif在MBI7747高可及性区域富集,而BZR、b HLH、b ZIP、TCP等转录因子motif则在CCRI45高可及性区域富集。同样,20 DPA时,b HLH、BZR、b ZIP、TCP等转录因子motif在MBI7747高可及性区域中富集,而许多WRKY转录因子motif则在CCRI45高可及性区域中富集。这些转录因子可能在纤维发育中发挥重要作用。5、本研究在转录组GO富集到的碳水化合物代谢过程中注释到两个胼胝质合成酶基因,已知胼胝质与棉花纤维伸长相关。故本研究将Cal S进行了全基因组鉴定,分别在陆地棉、海岛棉、雷蒙德氏棉和亚洲棉中鉴定出27、28、15和16个Cal Ss家族成员。通过系统发育、基因结构和保守基序分析将Cal Ss分为五组。各组Cal Ss的保守基序和基因结构高度相似。基于对顺式作用元件的分析,推断Gh Cal Ss受激素调控。WGD/Segmental复制促使棉花中Cal S基因扩增且纯化选择在Cal S家族中起主要
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