高温胁迫下棉花花药组蛋白H3K4me3和H3K27me3修饰变化比较分析

• 花匠小妙招
• 2024-09-11 05:04

【摘要】： 棉花是重要的经济作物,其纤维是天然的纺织原料,在工业中有着多种用途。在我国,新疆是主要产棉区,夏季常有持续的高温天气出现,而夏季又是棉花生殖发育的重要时期,棉花的雄性生殖器官较雌性生殖器官对高温胁迫更加敏感,持续的高温天气会造成棉花雄性生殖器官发育异常,如花药不开裂,花粉活力下降等;课题组前期研究表明表观遗传中组蛋白修饰可能参与棉花花药的高温胁迫响应,本研究主要以常温和高温胁迫下耐高温材料‘84021’和敏高温材料‘H05’绒毡层降解时期(TDS,9～14 mm)及花药开裂时期(ADS,>24 mm)的花药作为实验材料。通过染色质免疫共沉淀(Ch IP)方法捕获花药中被H3K4me3和H3K27me3修饰的片段,结合Ch IP-Seq、RNA-Seq、q RT-PCR和生物信息学分析等方法,对常温和高温条件下‘84021’和‘H05’绒毡层降解时期及花药开裂时期的花药全基因组组蛋白H3K4me3和H3K27me3修饰的变化进行了分析,主要研究结果如下:1、Ch IP-Seq分析结果表明,H3K4me3和H3K27me3两次生物学重复的皮尔森相关系数均在0.7以上,多数为0.9以上;用MACS软件检测基因组上H3K4me3和H3K27me3修饰位点(peaks),可视化后H3K4me3 peaks主要分布于第一个外显子区域,H3K27me3 peaks主要分布于基因间区,且两种修饰高温前后peaks分布区域无太大区别。2、结合RNA-Seq数据分析结果显示,H3K4me3修饰富集于高表量基因,而H3K27me3修饰富集在低表达量基因且二者呈‘心形’分布。3、全基因组分析结果表明,高温后H3K4me3修饰在‘84021’和‘H05’花药开裂时期显著升高,绒毡层降解时期变化不明显;‘84021’绒毡层降解期高温后H3K27me3修饰显著下降,‘H05’则是显著升高,而在花药开裂时期,高温后‘84021’中H3K27me3修饰显著上升而‘H05’中不变。进一步对棉花中与拟南芥同源的组蛋白H3K4me3和H3K27me3甲基转移酶和去甲基酶基因共33个基因进行组织表达分析和高温诱导表达分析。组织表达分析结果显示,8个同源基因在花药中高量表达,其中4个H3K4me3甲基转移酶基因、2个H3K4me3去甲基酶基因和2个H3K27me3去甲基酶基因;进一步对这8个基因在不同花药发育时期常温和高温下的表达情况进行分析,结果显示,与花药开裂时期相比,绒毡层降解时期中H3K4me3甲基转移酶基因、H3K4me3去甲基酶基因和H3K27me3去甲基酶基因均呈现较低的表达水平;花药开裂时期,‘84021’中8个同源基因受高温诱导后呈下调表达,且高温诱导后H3K4me3去甲基酶基因较H3K4me3甲基转移酶基因表达变化幅度大。‘H05’中H3K4me3甲基转移酶基因受高温诱导上调表达,H3K4me3去甲基酶基因和H3K27me3去甲基酶基因则为下调表达且H3K27me3去甲基酶虽然高温诱导后表达量较低但其常温时的表达水平也较低。因此花药开裂时期H3K4me3甲基转移酶基因、H3K4me3去甲基酶基因和H3K27me3去甲基酶基因在‘84021’和‘H05’受高温诱导表达的改变与花药开裂时期‘84021’和‘H05’中高温诱导后全基因组H3K4me3和H3K27me3修饰的变化基本吻合。4、H3K4me3和H3K27me3修饰在gene body处的分析结果表明,高温后‘84021’和‘H05’花药开裂时期H3K4me3修饰水平略有下降,绒毡层降解时期几乎不变;H3K27me3修饰在绒毡层降解时期高温后下降且两个材料的下降幅度相似。而花药开裂时期高温后‘84021’中H3K27me3修饰明显下降,‘H05’则是轻微下降;进一步对H3K4me3和H3K27me3修饰基因数目进行分析,发现高温后,丢失H3K27me3修饰的基因较丢失H3K4me3修饰的基因数目所占比重大,进一步对‘84021’和‘H05’绒毡层降解时期和花药开裂时期高温下丢失H3K27me3修饰的基因进行GO分析,发现‘84021’两个时期中差异基因有许多共同的路径,其中共有的生物过程路径有细胞壁修饰、苹果酸转运以及磷脂酰胆碱代谢;共有的细胞组成为细胞壁;共有的分子功能为转移酶活性、果胶酶活性和丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶活性。进一步对所有路径中的基因进行高温诱导表达分析,结果显示苹果酸转运路径相关基因在‘84021’花药开裂时期受高温诱导上调。综上,通过对常温和高温条件下‘84021’和‘H05’绒毡层降解时期及花药开裂时期的花药全基因组组蛋白H3K4me3和H3K27me3修饰分析,gene body分析,GO等分析,我们初步得出H3K27me3修饰受高温诱导变化明显,其中高温胁迫下可导致‘84021’绒毡层降解时期和花药开裂时期大量的基因丢失H3K27me3修饰,而丢失H3K27me3修饰的基因可能主要影响苹果酸转运来维持高温下‘84021’的花药育性。

【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2020

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