李鹏程 毕真真 孙 超 秦天元 梁文君 王一好 许德蓉 刘玉汇 张俊莲 白江平,*

DNA甲基化参与调控马铃薯响应干旱胁迫的关键基因挖掘

李鹏程1,2,**毕真真1,2,**孙 超1,2秦天元1,2梁文君1,2王一好1,2许德蓉1,2刘玉汇1,2张俊莲1,2白江平1,2,*

1甘肃省干旱生境作物学重点实验室/ 甘肃省作物遗传改良与种质创新重点实验室, 甘肃兰州 730070;2甘肃农业大学农学院, 甘肃兰州 730070

植物受到干旱胁迫时, 会通过DNA甲基化做出快速反应以帮助其应对胁迫。为探究在干旱胁迫下, DNA甲基化是如何影响基因转录表达, 本研究对甘露醇模拟干旱和5-azadC (去甲基化)处理下, 抗旱性不同的2个马铃薯品种(抗旱型, 青薯9号; 干旱敏感型, 大西洋)进行转录组学分析, 以Fold-change > 2和校正后< 0.01进行差异表达基因(DEG)的筛选。GO富集分析发现, 2种处理都共同显著富集到氧化应激和碳水化合物代谢过程相关的GO term。说明不同耐旱性马铃薯在响应干旱胁迫时, 与这些GO term相关的基因也受DNA去甲基化调控。对既响应干旱又响应DNA去甲基化的1345个DEG进行KEGG功能富集发现, 与植物抗旱相关的通路有植物MAPK信号途径、植物激素信号转导途径、植物谷胱甘肽代谢通路、糖酵解与糖异生和磷酸肌醇代谢通路。说明这些通路相关基因在大西洋和青薯9号2个抗旱性不同的马铃薯品种中, 响应干旱的敏感性受DNA甲基化调控。接着对DEG上游1500 bp启动子区域进行顺式作用原件和甲基化CpG岛分析发现, 干旱胁迫下参与植物谷胱甘肽代谢的GST基因通过DNA去甲基化来降低启动子区ABRE和CAAT-box作用元件的甲基化水平, 进而激活该基因的表达以应对干旱胁迫。因此, 利用比较转录组学分析干旱和DNA去甲基化处理下的差异基因, 可挖掘到DNA甲基化参与调控马铃薯响应干旱胁迫的相关基因, 为研究马铃薯干旱胁迫响应的表观遗传学机理提供新的研究思路。

马铃薯; 干旱胁迫; DNA甲基化; 转录组; 谷胱甘肽S转移酶

干旱胁迫通常发生在土壤水分不足以维持植物正常的生命活动且蒸发量大的区域[1]。水分缺乏是限制植物生长发育的关键因素, 影响植物的伸长和膨大生长[2-3]以及土壤养分供应的不平衡等[4]。马铃薯作为四大主粮作物之一, 也是水分敏感作物。中国的马铃薯主要种植在西北干旱和半干旱地区, 因此干旱严重影响了马铃薯的植株生长、块茎大小和商品属性[5]。

近年来, 除了阐明响应干旱胁迫的信号转导机制外, 越来越多的研究表明, 表观遗传调控在植物干旱胁迫响应中具有重要的作用[6-7]。DNA甲基化是发现最早、研究最深入的表观遗传修饰中的一种。DNA甲基化的修饰往往与基因的转录相关, 即DNA甲基化程度越高, 基因的转录水平越低[8-9]。干……