大豆结瘤发育过程中DNA甲基化的动态分析

摘要

大豆作为世界上主要的油料作物，在农业经济中是不可替代的。豆科物种与固氮微生物建立共生关系既经济又环保，而科学家一直想要解析豆科物种与根瘤菌的共生机制。而表观调控，特别是DNA甲基化的动态变化对植物生长发育过程中基因表达和转座元件沉默有一定的调控作用。目前还没有报道过大豆结瘤发育过程中DNA甲基化的模式。因此，本研究选取了大豆结瘤发育过程中的10个时间点，实验组和对照组分别接种根瘤菌和不接菌，一共20个样品进行WGBS，主要包括全基因组DNA甲基化和差异甲基化区域两部分分析，通过生物信息学分析对大豆结瘤发育过程DNA甲基化的动态变化有一个全面的解析。
　　20个样品分别与大豆Wm82参考基因组比对后得到13Gb-27Gb的PE-150bpreads，平均覆盖了基因组上91％的胞嘧啶位点，平均测序深度为9X。首先解析大豆结瘤发育的动态过程中全基因组DNA甲基化的动态变化，发现第1个时间点实验组CG、CHG和CHH类型高甲基化，而第7-10时间点实验组CHG和CHH类型低甲基化;通过建立全基因组DNA甲基化图谱，观察到DNA甲基化的动态变化主要发生在染色体上转座元件富集的近着丝粒区。转座元件区域DNA甲基化水平的动态变化与转座元件的类型、位置和长度无关，它是遍及染色体上所有转座元件的;转座元件及其上下游的甲基化趋势呈整体上升或降低的趋势。基因区域，Promoter区和Intron区的甲基化水平较高，CDS区次之，UTR区相对较低;基因DNA甲基化水平的动态变化与基因的位置有关;基因的上下游区域的甲基化趋势易发生变化，且基因的转录起始位点和转录终止位点附近的DNA甲基化水平较稳定。
　　接着鉴定差异甲基化区域，发现第1和第7-10时间点DMRs的数量较多，其中CHG-DMRs多为hypo-DMRs，CHH-DMRs多为hyper-DMRs。与DMRs相关的转座元件中，多发生CHG类型低差异甲基化和CHH类型高差异甲基化。差异甲基化基因中，多发生CHH类型高差异甲基化，并多发生在基因的上游区域。最后结合差异表达基因的数据集，找到既差异甲基化又差异表达的基因合集，其大部分出现在大豆结瘤发育晚期。通过对发育早期和晚期的DM-DEGs合集的GO富集分析，找到了早期与氧化还原过程、氧化还原酶活性和血红素结合活性等相关功能的基因集，也找到了晚期与结瘤固氮、共生互作、跨膜转运和检测氧气等相关功能的基因集。
　　本研究可以为大豆结瘤发育的研究提供较为可靠的候选基因;为大豆结瘤过程中表观调控的解析提供新的认识;也可为未来大豆育种工作提供DNA甲基化层面的理论基础。

目录

声明

摘要

缩略词表

1 前言

1．1 大豆的重要价值和现状

1．2 共生固氮的意义

1．3 豆科植物与根瘤菌建立共生关系

1．4 表观组学

1．5 DNA甲基化

1．5．1 DNA甲基化的概念

1．5．2 DNA甲基化的分布特点

1．5．3 DNA甲基化与去甲基化

1．5．4 DNA甲基化的检测方法

1．5．5 植物中DNA甲基化的研究进展

1．6 研究目的和意义

2 材料和方法

2．1 材料

2．2 数据来源

2．3 分析流程

2．3．1 数据的预处理

2．3．2 比对

2．3．3 覆盖度和测序深度

2．3．4 全基因组DNA甲基化分析

2．3．5 区域DNA甲基化分析

2．3．6 鉴定差异甲基化区域(DMRs)

3 结果与分析

3．1 测序数据的质量控制

3．2 比对情况的统计

3．3 覆盖度和测序深度

3．4 全基因组DNA甲基化分析

3．5 转座元件区域DNA甲基化分析

3．6 基因区DNA甲基化分析

3．7 鉴定差异甲基化区域(DMRs)

3．8 鉴定与DMRs相关的转座元件

3．9 鉴定差异甲基化基因(DMGs)

3．10 DMGs与DEGs的关联分析

4 讨论

参考文献

致谢