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WGBS揭示AtSAMS通過(guò)DNA甲基化植物花器官發(fā)育的表觀遺傳機(jī)制

瀏覽次數(shù)：216　發(fā)布日期：2025-3-27　來(lái)源：本站　僅供參考，謝絕轉(zhuǎn)載，否則責(zé)任自負(fù)

花器官是植物繁殖的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，其發(fā)育受到嚴(yán)格的遺傳調(diào)控。ABC模型是解釋花器官發(fā)育的經(jīng)典理論，其中A、B、C、E功能基因分別調(diào)控萼片、花瓣、雄蕊和雌蕊的形成。然而，這些基因的表達(dá)調(diào)控機(jī)制尚未完全明確。DNA甲基化作為一種重要的表觀遺傳修飾，在基因調(diào)控、基因組穩(wěn)定性和植物發(fā)育中發(fā)揮關(guān)鍵作用。S-腺苷甲硫氨酸合成酶（S-adenosylmethionine synthase，SAMS）是參與S-腺苷甲硫氨酸生物合成的關(guān)鍵酶，是甲基化反應(yīng)中的通用甲基供體，同時(shí)也是乙烯、多胺等生物合成的共同前體。乙烯是一種重要的植物激素，參與植物的多種生理過(guò)程，包括花器官發(fā)育。然而，SAMS如何通過(guò)甲基化和乙烯信號(hào)通路調(diào)控花器官發(fā)育尚不清楚。

近日，湖南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院胡文俐博士等為第一作者，李東屏教授、田連福博士為共同通訊以擬南芥為研究對(duì)象，探討了擬南芥S-腺苷甲硫氨酸合成酶（AtSAMS）對(duì)花器官發(fā)育的調(diào)控機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，AtSAMS通過(guò)DNA甲基化和乙烯信號(hào)通路共同影響花器官的正常發(fā)育。AtSAMS過(guò)表達(dá)植物（SAMOE）表現(xiàn)出花器官異常，包括花瓣、萼片和雄蕊數(shù)量減少或增加，以及雌蕊發(fā)育不全等現(xiàn)象。研究揭示了DNA甲基化水平的降低和乙烯含量的增加是導(dǎo)致這些異常的關(guān)鍵因子，并進(jìn)一步探討了AtSAMS如何通過(guò)甲基化和乙烯信號(hào)通路調(diào)控ABCE基因的表達(dá)，從而影響花器官發(fā)育。相關(guān)研究成果以《AtSAMS regulates floral organ development by DNA methylation and ethylene signaling pathway》為題發(fā)表于《Plant Science》期刊。

標(biāo)題：AtSAMS regulates floral organ development by DNA methylation and ethylene signaling pathway（AtSAMS 通過(guò)DNA甲基化和乙烯信號(hào)通路調(diào)控花器官發(fā)育）

發(fā)表期刊：Plant Science（IF 5.2/Q2）
技術(shù)平臺(tái)：WGBS、RNA-seq

本研究分析結(jié)果揭示了擬南芥中AtSAMS過(guò)表達(dá)植物的花器官異常發(fā)育由DNA去甲基化和乙烯信號(hào)通路共同引起。在SAMOE（AtSAMS過(guò)表達(dá)植物）中，全基因組DNA甲基化水平降低，乙烯含量增加。用DNA甲基化抑制劑處理的野生型植物表現(xiàn)出與SAMOE相似的表型和乙烯水平，這表明DNA去甲基化增強(qiáng)了乙烯的生物合成，從而導(dǎo)致花器官異常發(fā)育。DNA去甲基化和乙烯含量的增加導(dǎo)致了ABCE基因表達(dá)變化，而這些基因?qū)τ诨ㄆ鞴俚陌l(fā)育至關(guān)重要。此外，ACE基因的轉(zhuǎn)錄水平與其甲基化水平高度相關(guān)，但B基因下調(diào)可能與去甲基化無(wú)關(guān)，而由乙烯信號(hào)通路獨(dú)立引起。SAMS介導(dǎo)的甲基化和乙烯信號(hào)通路可能在花器官發(fā)育過(guò)程中存在相互作用。綜上所述，本研究結(jié)果表明，AtSAMS通過(guò)DNA甲基化和乙烯信號(hào)通路調(diào)控花器官發(fā)育。

圖形摘要：擬南芥中AtSAMS調(diào)控花器官發(fā)育的假定工作模型。
該模型提出，AtSAMS通過(guò)甲基化和乙烯信號(hào)通路調(diào)控花器官。作為乙烯合成的前體，SAM還作為甲基供體（me）參與甲基化反應(yīng)。PPi表示焦磷酸鹽；Pi表示磷酸鹽。ACSs表示1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸合成酶。ERFs表示乙烯響應(yīng)因子。

研究方法
植物材料：使用擬南芥（Columbia-0）作為實(shí)驗(yàn)材料，通過(guò)構(gòu)建AtSAMS1和AtSAMS2過(guò)表達(dá)轉(zhuǎn)基因植物（SAMOE）進(jìn)行研究。
全基因組重亞硫酸鹽測(cè)序（WGBS）：通過(guò)WGBS技術(shù)分析SAMOE植物的全基因組DNA甲基化水平，比較野生型（WT）和SAMOE植物的甲基化差異。
RNA測(cè)序（RNA-seq）：通過(guò)RNA-seq分析SAMOE植物的轉(zhuǎn)錄組變化，檢測(cè)ABCE基因及其他基因的表達(dá)水平。
實(shí)時(shí)熒光定量PCR（qRT-PCR）：驗(yàn)證RNA-seq結(jié)果，分析特定基因的表達(dá)變化。
DNA甲基化敏感PCR（McrBC-qPCR）：檢測(cè)特定基因啟動(dòng)子區(qū)域的甲基化水平。
代謝物測(cè)定：測(cè)定SAM、乙烯、多胺和煙酰胺等代謝物含量。

結(jié)果圖形
（1）AtSAMS過(guò)表達(dá)（SAMOE）導(dǎo)致花器官異常
SAMOE植物表現(xiàn)出多種花器官異常，包括萼片轉(zhuǎn)化為雌蕊、花瓣和雄蕊數(shù)量減少等，與ABCE基因突變體或過(guò)表達(dá)株系的表型相似。

圖1：擬南芥中AtSAMS過(guò)表達(dá)導(dǎo)致異常的花器官表型。

（A）AtSAMS過(guò)表達(dá)植物（SAMOE）鑒定。
（B）WT、S1OE和S2OE中異常花器官（包括所有異常類型）比例。
（C）SAMOE中的異常花器官表型。（a）野生型（WT）。（b）形成次級(jí)花，花瓣缺失。（c、d、e）萼片轉(zhuǎn)化為雌蕊且雌蕊數(shù)量增加；萼片、花瓣和雄蕊數(shù)量減少。（f）雌蕊融合不完全。（g）葉狀萼片，雄蕊發(fā)育成雌蕊。（e、h）花瓣數(shù)量減少或增加。
（D）qRT-PCR分析對(duì)WT和SAMOE中的ABCE基因進(jìn)行定量分析。
（E）WT和SAMOE中S-腺苷甲硫氨酸（SAM）含量比較分析。

（2）SAMOEa植物全基因組低甲基化導(dǎo)致花器官異常
WGBS結(jié)果顯示，SAMOE植物的全基因組DNA甲基化水平顯著降低，特別是在CHG和CHH序列環(huán)境中，從而導(dǎo)致花器官異常。

圖2：SAMOE中DNA甲基化相關(guān)基因的甲基化率和表達(dá)水平。

（A）WT和SAMOE的平均甲基化率比較。
（B-C）SAMOE中參與DNA甲基化過(guò)程的基因表達(dá)水平（SAMOE與WT相比）。

（3）A、C和E基因的甲基化水平發(fā)生變化，但B基因沒(méi)有變化
WGBS和McrBC-qPCR結(jié)果表明，A、C和E功能基因的甲基化水平變化與它們的表達(dá)水平顯著相關(guān)，而B(niǎo)功能基因的表達(dá)變化與甲基化無(wú)關(guān)。

圖3：DNA去甲基化對(duì)擬南芥花器官的影響。

（A）5′-Aza處理或模擬處理的野生型（WT）擬南芥的花器官。（a）模擬處理（Mock）。（b-g）5′-Aza處理。（a′-e′）相應(yīng)的解剖結(jié)構(gòu)。
（B）在模擬處理和5′-Aza處理的花序樣本中，對(duì)基因啟動(dòng)子區(qū)域進(jìn)行McrBC-qPCR分析。甲基化的DNA可以被McrBC酶消化，因此更高的qRT-PCR信號(hào)表示更低的甲基化水平。
（C）通過(guò)qRT-PCR分析對(duì)模擬處理和5′-Aza處理的花序中的ABCE基因進(jìn)行定量分析。

表1：ABCE基因轉(zhuǎn)錄與甲基化水平的相關(guān)性分析。

（4）SAMOE植物ABCE基因表達(dá)水平的變化
RNA-seq和qRT-PCR結(jié)果顯示，SAMOE植物中A功能基因（AP1和AP2）和B功能基因（AP3和PI）表達(dá)下調(diào)，而C功能基因（AG）和E功能基因（SEP1、SEP2和SEP3）表達(dá)上調(diào)。

圖4：SAMOE中ABCE基因的甲基化和表達(dá)水平。

（A-B）WT和SAMOE中ABCE基因的甲基化水平的全基因組亞硫酸鹽測(cè)序（WGBS-seq）數(shù)據(jù)。
（C）在WT和SAMOE樣本中對(duì)ABCE基因啟動(dòng)子區(qū)域進(jìn)行McrBC-qPCR分析。
（D）WT和SAMOE中差異表達(dá)基因（DEGs）的熱圖。
（E-F）SAMOE中ABCE基因的表達(dá)水平。

（5）乙烯參與調(diào)控SAMOE植物中雄蕊和雌蕊的發(fā)育
SAMOE植物的乙烯含量顯著高于WT植物，而多胺和煙酰胺含量變化不大。外源乙烯處理（ethephon）的WT植物表現(xiàn)出與SAMOE相似的花器官異常，且B功能基因表達(dá)下調(diào)，C功能基因表達(dá)上調(diào)，但這些基因的甲基化水平未發(fā)生變化。

圖5：乙烯對(duì)擬南芥花器官的影響。

（A）野生型和SAMOE中乙烯含量的比較。
（B-C）SAMOE中參與乙烯和煙酰胺（NA）合成的基因表達(dá)情況（SAMOE與WT相比）。
（D）用乙烯利處理的野生型（WT）的花器官表型。（a）模擬處理（Mock）。（b-e）乙烯利處理。（a′-c′）相應(yīng)的解剖結(jié)構(gòu)。
（E）通過(guò)qRT-PCR分析模擬處理和乙烯利處理的花序中ABCE基因表達(dá)。
（F）通過(guò)McrBC-qPCR分析模擬處理和乙烯利處理的花序中B功能和C功能基因啟動(dòng)子區(qū)域甲基化水平。

易小結(jié)
本研究利用WGBS和對(duì)應(yīng)的RNA-seq揭示了AtSAMS通過(guò)調(diào)控DNA甲基化和乙烯信號(hào)通路共同影響花器官發(fā)育。SAMOE植物中SAM含量增加，導(dǎo)致DNA甲基化水平降低和乙烯含量增加。DNA甲基化降低改變了ABCE基因的表達(dá)模式，從而影響花器官的正常發(fā)育。此外，乙烯信號(hào)通路也可能通過(guò)非甲基化依賴的方式調(diào)控B功能基因的表達(dá)。研究提出了一個(gè)模型，即AtSAMS通過(guò)調(diào)節(jié)SAM分配，在DNA甲基化和乙烯生物合成之間建立聯(lián)系，進(jìn)而調(diào)控花器官發(fā)育。

WGBS和RNA-seq在本研究中的重要作用
WGBS：提供了SAMOE植物全基因組DNA甲基化水平的高分辨率圖譜，揭示了甲基化水平的全局變化。通過(guò)分析ABCE基因的甲基化水平，發(fā)現(xiàn)A、C和E功能基因的甲基化水平與它們的表達(dá)變化密切相關(guān)，而B(niǎo)功能基因的甲基化水平未發(fā)生變化。結(jié)合RNA-seq數(shù)據(jù)，揭示了DNA甲基化水平降低與基因表達(dá)下調(diào)之間的聯(lián)系，為理解AtSAMS調(diào)控花器官發(fā)育的分子機(jī)制提供了重要線索。

RNA-seq：全面分析了SAMOE植物與WT植物的轉(zhuǎn)錄組差異，鑒定出大量差異表達(dá)基因（DEGs），揭示了SAMOE植物中基因表達(dá)的整體下調(diào)趨勢(shì)。通過(guò)分析ABCE基因的表達(dá)變化，證實(shí)了SAMOE植物中這些關(guān)鍵基因的表達(dá)模式改變，并與花器官異常發(fā)育密切相關(guān)。發(fā)現(xiàn)SAMOE植物中乙烯生物合成相關(guān)基因（如ACS2/5/7/8/11）表達(dá)上調(diào)，而多胺和煙酰胺合成相關(guān)基因表達(dá)變化不大，進(jìn)一步支持了乙烯在花器官發(fā)育異常中的關(guān)鍵作用。

參考文獻(xiàn)：
Hu W, Hu S, Li S, Zhou Q, Xie Z, Hao X, Wu S, Tian L, Li D. AtSAMS regulates floral organ development by DNA methylation and ethylene signaling pathway. Plant Sci. 2023 Sep;334:111767. pii: S0168-9452(23)00184-X. doi: 10.1016/j.plantsci.2023.111767.

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