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中国杂交籼稻DNA甲基化多样性与遗传稳定性_彭海
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中国科学 生命科学 2014 年 第 44 卷 第 1 期 45 53 SCIENTIA SINICA Vitae 引用格式 彭海 江光怀 张静 等 中国杂交籼稻 DNA 甲基化多样性与遗传稳定性 中国科学 生命科学 2014 44 45 53 英文版见 Peng H Jiang G H Zhang J et al DNA methylation polymorphism and stability in Chinese indica hybrid rice Sci China Life Sci 2013 56 1097 1106 doi 10 1007 s11427 013 4576 z 中国科学 杂志社 SCIENCE CHINA PRESS 论 文 中国杂交籼稻 DNA 甲基化多样性与遗传稳定性 彭海 江光怀 张静 章伟雄 翟文学 中国科学院遗传与发育生物学研究所 北京 100101 江汉大学生命科学学院 系统生物学研究院 武汉 430056 Department of Computer Science and Department of Genetics Washington University in St Louis MO 63130 USA 联系人 E mail wxzhai 收稿日期 2013 08 02 接受日期 2013 09 03 国家自然科学基金 批准号 31071379 中国博士后基金 批准号 20090450616 和武汉 黄鹤英才 计划资助项目 摘要 水稻育种一直关注DNA序列多样性 但表观多样性 如DNA甲基化 也影响性状 不应 被忽略 分析了 20 个杂交稻育种中广泛应用的籼稻亲本系间的 DNA 甲基化多样性及其遗传稳 定性 结果表明 水稻育种系之间广泛存在 DNA 甲基化多样性 DNA 甲基化与序列多样性之间 存在正相关关系 DNA甲基化可以通过自交或杂交遗传给下一代 本研究揭示了DNA甲基化在 水稻育种中应用的价值 关键词 表观多样性 遗传多样性 水稻育种系 超过 1 2 的世界人口以水稻 Oryza sativa L 为主 粮 中国杂交稻育种从 19 世纪 70 年***始 取得了 巨大成功 ***优势是指相对于亲本 ***表现更优 越 其依赖于亲本间的遗传距离 因此 杂交稻亲本 间遗传距离被广泛研究 目前 对育种亲本间表观变异如 DNA 甲基化变 异还知之甚少 DNA 甲基化变异可影响植物表型 1 包括重要农艺性状如白叶枯抗性 2 3 植株高度 4 和产 量 5 DNA 甲基化变异可遗传给下一代 6 8 如拟南 芥 Arabidopsis thaliana 中连续甲基化区域可稳定遗 传 30 代 1 DNA 甲基化可通过 RNAi 机制遗传 9 水 稻 Xa21G 基因启动子区去甲基化导致该基因被激活 并使植物获得白叶枯病抗性 且 DNA 甲基化与抗性 至少遗传了9代 3 满足了杂交稻商业开发的需要 杂 交稻品种市场生命周期一般为 5 年 基于甲基化遗 传稳定性及其对表型的影响 本实验室指出了甲基 化在新品种培育中的应用价值 10 然而 仍有一些与 甲基化育种利用相关的问题还待阐明 水稻育种系 间是否存在 DNA 甲基化变异 其多样性如何 DNA 甲基化与序列多样性是否相关 DNA 甲基化变异是 否可稳定遗传 本研究利用 20 个广泛应用的杂交籼稻亲本 研 究了 DNA 甲基化多样性及其遗传规律 希望为 DNA 甲基化在杂交稻育种中的应用奠定理论基础 1 材料与方法 1 1 植物材料 共选用 20 个在中国杂交籼稻育种广泛应用的亲 本系 1 20 表 1 包括 11 个恢复系和 9 个保持系 雄性不育系 cytoplasm male sterile CMS 与恢复系在 育种中分别为杂交稻母本和父本 所有亲本于 2009 年 4 9 月种植于湖北省 其自交后代于 2009 年 11 月 2010 年 4 月种植于海南省 用于调查自交过程中 彭海等 中国杂交籼稻 DNA 甲基化多样性与遗传稳定性 46 DNA 甲基化稳定性 金科 1A 11 21 为金科 1B 19 的不育系 它们 之间细胞核相同但细胞质不同 用于调查细胞质对 DNA 甲基化的影响 20 和 21 之间的杂交种 22 金 科 1A R8377 被用于调查 DNA 甲基化从父母本传递 给***的遗传模式 F1*** 22 的自交后代 23 42 表 1 用于调查 DNA 甲基化在 F2群体中的分离模式 1 2 幼苗培养与 DNA 提取 选取无明显损害与病害的健康种子 75 酒精表 面消毒 去离子水清洗 2 次 置于填充蛭石的育苗盘 DSC00667 恒斯特包装有限公司 台州 中发芽 幼 苗于人工气候箱 福玛实验设备有限公司 上海 中生 长 培养条件为 30 20 白天 晚上 80 相对湿 度 13 h 11 h 光周期 约 180 mol m 2 s 1的光强 植 物由电导率为 2 2 2 5 mS cm 的霍格兰培养液 12 提供 营养 除每份材料仅 1 粒种子的 F2 23 42 表 1 单 株外 其余材料均采用单因子完全随机设计 每处理 10 株苗 重复 3 次 三叶期时 取正常生长植株的倒 二叶中部按试剂盒 DP305 天根生化科技 北京 有限 公司 操作说明提取 DNA 1 3 甲基化敏感扩增多态性与简单序列重复区间 扩增多态性分析 基因组 DNA 甲基化分析程序包括同裂酶消化 接头连接 预扩与选扩 按 Keyte 等人 13 的方法进行 所用接头与引物列于表 2 产物电泳检测也按 Keyte 等人 13 的方法进行 电泳胶用 0 2 的 AgNO3染色 数码相机 D90 尼康 日本 照相并人工计带 24 个简 单序列重复区间扩增多态性 inter simple sequence repeat ISSR 引物 表 3 用于 20 个水稻亲本系的遗传 分析 引物退火温度 表 3 由温度梯度实验确定 其 余操作步骤按 Ajibade 等人 14 描述的方法进行 7 L PCR 产物利用 2 琼脂糖在 0 5 TBE Tris borate EDTA 缓冲液中 5 V cm 电泳 2 5 h 0 5 g mL 溴化乙 锭染色 15 min 后成像 Bio Boc It 220 UVP 美国 所有甲基化敏感扩增多态性 methylation sensitive amplified polymorphism MSAP 与 ISSR 分析设置 3 次生物重复 至少 2 次技术重复 技术重复包括从基 因组 DNA 开始到凝胶计带的整个过程 感兴趣的条带利用胶回收试剂盒 GMS20008 1 杰美基因医药科技有限公司 上海 回收后 由上海 生工生物工程有限公司测序 序列与 NCBI 数据库中 表表 1 本研究中使用的亲本本研究中使用的亲本 品种代码 名称 来源 类型 1 辐恢 838 60Co 诱变后的明恢 63 226 恢复系 2 宜恢 3551 CDR22 81136 明恢 78 恢复系 3 多系 1 号 明恢 63 Tetep 恢复系 4 R527 1318 88 R336 恢复系 5 9311 扬稻 4 号 盐 3021 恢复系 6 桂 99 龙野 5 3 IR661 IR2061 恢复系 7 恩恢 58 明恢 63 密阳 46 恢复系 8 CDR22 IR50 明恢 63 恢复系 9 R128 湘晴 261 湘晴 恢复系 10 明恢 63 IR63 硅 630 恢复系 11 32B 珍汕 97 IR665 保持系 12 绵香 5B 香改 B 32B 保持系 13 香农 1B 未知 保持系 14 协青早 矮败 竹军 协珍 1 号 保持系 15 K17B 中 83 49 玻惠占 保持系 16 中 9B 优 B L301B 保持系 17 D62B 红突 31 D297B 保持系 18 金 23B 黄金 3 号 菲改 B 软米 M 保持系 19 金科 1B 冈 46B 金 23B 保持系 20 R8377 R527 M 绵恢 725 恢复系 21 金科 1A 金科 1B 的雄性不育系 雄性不育系 22 金科 1A R8377 F1代 23 42 金科 1A R8377 F2代 中国科学 生命科学 2014 年 第 44 卷 第 1 期 47 粳稻基因组进行比对 1 4 统计分析 利用 1 32 版 Popgene 软件 15 中 Dominant 菜单下 的 diploid data 功能计算基因多样性 利用 2 10e 版 NTSYSpc 软 件 Applied Biostatistics 美 国 进 行 Mantel检 测 16 UPGMA unweighted pair group method with arithmetic mean 聚类树与 1000 次靴值抽 样分析由 MEGA 5 10 17 软件进行 2 结果 2 1 MSAP 带型识别 同裂酶 Msp 与 Hpa 均识别核苷酸序列 5 CCGG 3 但对其相邻两个胞嘧啶残基甲基化敏感性 不同 Hpa 不能切割 5 CCGG 3 中一个或两个胞嘧 啶全甲基化 双链均甲基化 但可切割半甲基化类型 仅一条链甲基化 Msp 切割 C5mCGG 但不能切割 5mCCGG 18 因此 根据来自 EcoR Msp 与 EcoR Hpa 酶切后扩增产物在凝胶上的条带出现或不出 现 可将 5 CCGG 3 的甲基化状态分为 4 种类型 表 4 大多数研究为类型 和 归为甲基化类型 另外 两种为非甲基化类型 表 4 本研究也采用这一标准 类型 和 并不能完全排除甲基化修饰 表 4 因而 本研究与前人 MSAP 甲基化研究中 甲基化水平可 能被低估了 2 2 水稻亲本间 DNA 甲基化 48 对选扩引物被用于检测 20 个水稻亲本间 5 CCGG 3 中甲基化状态 表1 1 20 共获得1842 表表 2 DNA 甲基化分析中的接头与引物甲基化分析中的接头与引物 EcoR Msp Hpa 接头 1 5 GACTGCGTACC 3 5 GACGATGAGTCCTGAG 3 2 3 CTGACGCATGGTTAA 5 3 TGCTACTCAGGACTCAT 5 预扩引物 5 AGACTGCGTACCAATT C 3 5 GACGATGAGTCCTGAGTAA A 3 选扩引物 1 5 AGACTGCGTACCAATTC AAC 3 5 GACGATGAGTCCTGAGTAA AGG 3 2 5 AGACTGCGTACCAATTC ACA 3 5 GACGATGAGTCCTGAGTAA ACA 3 3 5 AGACTGCGTACCAATTC ACC 3 5 GACGATGAGTCCTGAGTAA ATG 3 4 5 AGACTGCGTACCAATTC AGT 3 5 GACGATGAGTCCTGAGTAA AGA 3 5 5 AGACTGCGTACCAATTC CAA 3 5 GACGATGAGTCCTGAGTAA ACT 3 6 5 AGACTGCGTACCAATTC CAC 3 5 GACGATGAGTCCTGAGTAA ACC 3 7 5 GACGATGAGTCCTGAGTAA AGC 3 8 5 GACGATGAGTCCTGAGTAA ATA 3 9 5 GACGATGAGTCCTGAGTAA AAT 3 10 5 GACGATGAGTCCTGAGTAA AAA 3 表表 3 ISSR 分析中的引物及其退火温度分析中的引物及其退火温度 引物编号 序列 退火温度 引物编号 序列 退火温度 808 5 AGAGAGAGAGAGAGAGC 3 58 0 846 5 GAGAGAGAGAGAGAGAC 3 56 8 811 5 GAGAGAGAGAGAGAGAC 3 49 2 847 5 CACACACACACACACARC 3 56 8 812 5 GAGAGAGAGAGAGAGAA 3 47 4 855 5 ACACACACACACACACYT 3 56 8 817 5 CACACACACACACACAA 3 49 2 856 5 ACACACACACACACACYA 3 56 8 825 5 ACACACACACACACACT 3 51 5 857 5 ACACACACACACACACYG 3 47 4 826 5 ACACACACACACACACC 3 59 5 861 5 ACCACCACCACCACCACC 3 65 7 834 5 AGAGAGAGAGAGAGAGYT 3 54 1 868 5 GAAGAAGAAGAAGAAGAA 3 51 5 835 5 AGAGAGAGAGAGAGAGYC 3 49 2 880 5 GGAGAGGAGAGGAGA 3 51 5 836 5 AGAGAGAGAGAGAGAGYA 3 49 2 885 5 BHBGAGAGAGAGAGAGA 3 54 1 840 5 GAGAGAGAGAGAGAGAYT 3 51 5 888 5 BDBCACACACACACACA 3 59 5 841 5 GAGAGAGAGAGAGAGAYC 3 54 1 889 5 DBDACACACACACACAC 3 62 0 842 5 GAGAGAGAGAGAGAGAYG 3 54 1 891 5 HVHTGTGTGTGTGTGTG 3 56 8 彭海等 中国杂交籼稻 DNA 甲基化多样性与遗传稳定性 48 表表 4 由胶图分析获得的由胶图分析获得的 5 CCGG 3 位点甲基化类型位点甲基化类型 a 类型 Msp Hpa b 甲基化的胞嘧啶残基 双链的外部胞嘧啶 双链的内部胞嘧啶 一条单链的外部胞嘧啶 无或一条单链的内部胞嘧啶 a Msp 和 Hpa 分别代表 EcoR Msp 和 EcoR Hpa 酶切后的扩增产物 和 表示胶图上带的有与无 b Hpa 切割半甲基化 的 5 CCGG 3 速度比切割未甲基化的 DNA 速度低 50 倍 18 条扩增条带 图1A为这20个亲本扩增产物电泳图谱 示例 在这 1842 条扩增位点中 每个亲本平均 275 25 个位点在 EcoR Msp 和 EcoR Hpa 消 化后产生了差异性的扩增条带 可判定为全甲基化 类型 或半甲基化 类型 类型 因而 这 20 个水 稻亲本中 14 78 275 25 1842 的 5 CCGG 3 位点被 甲基化了 这一比例比 Xiong 等人 19 16 3 和 Ashikawa 20 16 2 的报道略低 他们的研究只有 2 份水稻材料 在这 2 份材料中都缺失的条带不能被计 数 本研究中有 20 份材料 任意一个亲本中扩增出 了条带 在缺失条带的亲本中 就会被计为未甲基化 的类型 可能使得本研究中甲基化比例较低 20 个 亲本中 甲基化位点比例为 13 48 16 92 变异系 数 coefficient of variation CV 为 6 87 表 5 2 3 遗传与表观遗传多样性间的关系 在调查的 1842 个位点中 821 44 57 个位点至 少在 20 个亲本之一中被甲基化了 其中 430 52 37 个位点具有多态性 剩下的 1412 个位点没有被甲基 化或甲基化状态是一致的 其中 240 17 00 个位点 具有遗传多样性 可用于亲本间遗传多样性分析 基 因多样性 21 是指群体内所分析位点基因分化程度 杂 合度 DNA甲基化与DNA序列多样性位点间的基因 多样性较为接近 0 31 vs 0 33 表 6 但 DNA 甲基化 多样性位点的比例却明显高于 DNA 序列多样性位点 的比例 52 37 vs 17 00 表明基因组DNA甲基化 的可塑性强于 DNA 序列的可塑性 西瓜 Citrullus lanatus 基因组甲基化多样性 43 也高于遗传多样 性 19 8 22 利用这 430 个 DNA 甲基化多样性位点构建聚类 树 图 2A 22 个水稻株系共形成了两个组 和 靴值分别为 93 和 91 组 包括 8 个保持系 11 15 和 17 19 表 1 组 包括 11 个恢复系 1 10 和 20 表 1 和 1 个保持系 16 同核异质的 金科 1A 21 和金科 1B 19 被聚在了一起 但靴值 较低 65 不同的 DNA 甲基化模式也存在于同核 异质的正反交***中 23 本研究与前人报道均表明 细胞质可能影响细胞核 DNA 甲基化 表观变异可能 是不育系与保持系间广泛存在的性状差异的原因 如植株高度与开花期 ***金科 1A R8377 22 与母 本金科 1A 的表观遗传距离近 组 但与父本 R8377 之间的表观遗传距离较远 组 图 2A 为获得***优势 育种者尽量避免恢复系与不 育系间的基因交换 以确保二者间遗传*** 表观聚 类树 图 2A 区分了保持系与恢复系 暗示了遗传与 表观遗传多样性间可能存在相关关系 为此 利用 240 个无甲基化或甲基化单态性 但具有遗传多样性 的位点构建了聚类图 与 DNA 甲基化聚类图类似 大多数保持系与恢复系被分别聚入了两个不同的组 其靴值均为93 图2B Mantel检测发现 这22个水 稻材料的遗传与表观遗传 DNA 甲基化 变异之间存 在正相关关系 r 0 62 P 0 003 由于类型 或 不能排除 DNA 甲基化的可能性 甲基化与遗传多样性之间的关系还需要进一步证实 利用 24 对 ISSR 引物检测并获得了 181 个扩增位点 图 1B 其中 23 12 71 个具有多样性 Mantel 测验 同样发现了 DNA 甲基化与 ISSR 遗传距离间的正向 相关性 r 0 55 P 0 04 基于 ISSR 标记和未甲基化 甲基化单态性 MSAP 标记之间的 Mantel 相关系数达 到 0 89 P 0 03 表明这两种技术在遗传多样性评价 上大致等效 2 4 DNA 甲基化等位位点的遗传 利用 20 个水稻亲本系及自交后代分析了甲基化 的隔代遗传稳定性 随机调查了 148 个位点 平均 31 20 95 个在亲本与子代间存在变异 变异系数为 中国科学 生命科学 2014 年 第 44 卷 第 1 期 49 图图 1 20 个杂交水稻亲本甲基化个杂交水稻亲本甲基化 A 与与 ISSR B 图谱实例图谱实例 A 甲基化图谱 M 分子量标准 选扩引物组合为 5 AGACTGCGTACCAATTC ACC 3 和 5 GACGATGAGTCCTGAGTAA ACT 3 表 2 每 2 个泳道上方的数字为表 1 中杂交稻亲本编号 每个亲本前后泳道分别代表 EcoR Msp 和 EcoR Hpa 消化后的扩增产物 箭头所 指为 DNA 甲基化多态性位点 B ISSR 图谱 引物为 825 表 3 第一泳道为 DL2000 分子量标准 后面 20 个泳道依次为表 1 中亲本 1 20 表表 5 20 个杂交稻亲本个杂交稻亲本 MASP 带型基本统计参数带型基本统计参数 类型 平均值 最大值 最小值 变异系数 571 20 653 539 6 00 159 90 228 129 13 46 115 35 148 87 16 91 995 55 1040 892 3 78 甲基化位点 a 275 25 315 251 6 87 甲基化位点比例 b 14 78 16 92 13 48 6 87 a 甲基化位点 类型 类型 b 甲基化位点比例 100 甲基化位点 1842 表表 6 遗传与表观遗传遗传与表观遗传 DNA 甲基化甲基化 多样性比较多样性比较 类型 总数 多态性位点 基因多样性 a 总数 比例 DNA 甲基化位点 821 430 52 37 0 31 遗传位点 1412 240 17 00 0 33 a 利用多态性位点根据 Nei 21 的方法计算 彭海等 中国杂交籼稻 DNA 甲基化多样性与遗传稳定性 50 30 19 表 7 值得注意的是 亲本与子代种植于不 同地点与季节 可能导致了亲代与子代间甲基化的 不稳定 余下的 79 05 的 稳定 位点需在连续多个 自交世代与不同环境下的***研究 以最终确定其 遗传稳定性 F1***金科 1A R8377 及其亲本被用于研究杂交 过程中DNA甲基化的遗传模式 图2A的聚类树表明 母本金科 1A 的 DNA 甲基化距离比父本 R8377 更接 近它们的杂交 F1 随机选择了 16 个金科 1A 与 R8377 亲本间甲基化多样性位点 用于调查它们在 F2群体 内的分离模式 表 8 网络版附图 1 一些位点的 F1 ***甲基化状态在F2群体中被忠实遗传了 例如 位 点 1 在 F1***与所有 20 个 F2个体中均相同 未被甲 基化 4 个位点 5 6 8 和 9 表 8 的分离比符合 3 1 的单位点分离预期 然而 一些位点的 F1***甲 基化状态如 1 4 却没有遵从孟德尔遗传规律 显示 出了复杂的遗传规律 需进一步研究 成功测序了 10 个位点 其中 4 个存在于蛋白编码区 6 个在非编 码区 表 8 3 讨论 3 1 MSAP 方法 MSAP 基因组甲基化分析方法相对经济 但分 辨率较低 假阳性较高且只能调查 CCGG 位点甲基 化 最近发明的亚硫酸盐测序与免疫共沉淀测序 methylated DNA immunoprecipitation seq MeDIP seq 分辨率可达到 1 24 25 或 35 26 个碱基 而且可用于 所有类型的单碱基甲基化多样性 single methylation polymorphisms SMPs 研究 拟南芥自然群体中 CG CHG 和 CHH SMPs 分别占所有 SMPs 的 23 13 和 64 27 因而 MSAP 分析之外的甲基化类型也很重要 需要仔细分析 MSAP 在 F1***与 F2分离群体中 检测到的 未甲基化 位点 表 8 网络版附图 1 MSAP 胶图中 EcoR Msp 与 EcoR Hpa 均可 消化未甲基化位点 电泳后出条两条带 而甲基化位 点则仅出现一条 MSAP 如同显性标记 未甲基化可 掩盖甲基化带型 胶图中判断为未甲基化的位点也 可能是甲基化与非甲基化的杂合位点 这可部分解 图图 2 由由 DNA 甲基化甲基化 A 与遗传与遗传 B 多态性位点建立的中国杂交籼稻亲本多态性位点建立的中国杂交籼稻亲本 UPGMA 聚类图聚类图 数字为表 1 中的品种代码 R 恢复系 A 不育系 F1 ***一代 分支稳定性由 1000 次重新抽样进行估计 仅显示大于 50 的靴值 中国科学 生命科学 2014 年 第 44 卷 第 1 期 51 释 F1***与 F2分离群体中部分位点不遵从孟德尔遗 传规律的现象 表 8 网络版附图 1 3 2 DNA 甲基化与育种 变异是选择的基础 遗传保证了选择的有效性 对育种者来说 最为关心的是 DNA 甲基化在育种系 间是否存在多态性 以及多态性的甲基化位点是否 可遗传给下一代 SMPs 一般比自发的 DNA 序列变异 频率要大数个数量级 例如 有报道 30000 个 DNA 甲基多态性 DNA methylation polymorphisms DMPs 但仅有 30 个 SNPs single nucleotide polymorphism 1 显示了自然群体表观变异可能更广泛 在自然拟南 芥群体中 27 野生与栽培稻间 25 籼稻与粳稻间 23 都广泛观察到了 DNA 甲基化表观变异 本研究发现 籼稻亲本系间存在 DNA 甲基化变异大于 DNA 序列 变异 这与前人研究结论相同 1 22 水稻育种亲本间 的高水平表观变异为育种选择提供了新资源 有助 于缓解自 19 世纪 70 年代以来 水稻育种种质遗传多 样性降低 28 的问题 DNA 甲基化与序列变异间的关系对甲基化育种 利用也很重要 若相关性很大 则可能在选择压力下 核苷酸序列变异与甲基化变异总是相伴出现 选择 DNA 位点等同于选择 DNA 序列变异 意味着甲基化 位点对表型无额外贡献 不能为品种培育带来额外 好处 遗传与表观遗传多样性间的相关性或相似的 聚类树在西瓜 22 与水稻 29 中都有报道 本研究发现 遗传变异与 DNA 甲基化变异间的相关为 62 表明 一些DNA甲基化与DNA序列间确实存在相关性 但 也存在一定的***性 ***性位点的选择对水稻品 种改良有独特的贡献 某些玉米 Zea mays L 性状如 每穗排数 每排粒数与 DNA 甲基化具有相关性 但 与遗传多样性间却没有相关性 30 西瓜生长习性 果 实性状和生物 非生物胁迫抗性具有广泛的多样性 但 DNA 序列多样性却较为狭窄 31 DNA 甲基化对表 型的***贡献可作为以上矛盾的解释 22 本研究与 前人的研究都表明 至少部分的 DNA 甲基化变异独 表表 7 甲基化等位位点在甲基化等位位点在 20 个杂交水稻亲本自交过程中的遗传个杂交水稻亲本自交过程中的遗传 类型 平均值 最大值 最小值 变异系数 变异位点 31 00 43 20 23 68 未变异的位点 117 00 128 39 6 27 变异位点比例 a 20 95 29 05 13 51 30 19 a 变异位点比例 100 变异位点 变异位点 非变异位点 表表 8 F2群体中甲基化等位位点的分离群体中甲基化等位位点的分离 a 位点 金科 1A R8377 F1 F2 染色体 位置 最佳匹配 甲基化 非甲基化 不确定 1 0 20 0 11 1100054 1100154 钠 氢交换家族蛋白 2 3 17 0 11 2827811 2827907 非编码区 3 11 9 0 2 30643422 30643519 线粒体内膜定位酶 4 16 2 2 5 5 15 0 7 29725356 29725450 非编码区 6 5 15 0 3 19218810 19218912 非编码区 7 8 12 0 8 12 4 4 9 15 5 0 10 12352012 12352111 假定蛋白 10 16 4 0 12 9201421 9201506 非编码区 11 8 11 1 2 793701 793789 非编码区 12 8 11 1 13 8 11 1 7 1646702 1646800 类似于抗性蛋白 14 10 10 0 1 29779556 29779634 非编码区 15 8 11 1 16 8 11 1 a 甲基化 非甲基化 彭海等 中国杂交籼稻 DNA 甲基化多样性与遗传稳定性 52 立于遗传多样性 显示了 DNA 甲基化对表型多样性 的贡献及其在育种资源选择中的价值 DNA 甲基化受环境影响 32 因而育种者关心 DNA 甲基化是否可以稳定遗传 北方水稻育种者尤 其关心自交世代中 DNA 甲基化遗传 因为这一地区 主要种植自交粳稻品种 超过 1 106 10 个拟南芥 CG SMPs 和 2485 个 CG DMRs DNA methylation regions 在来自于单粒种子的 30 个世代中稳定遗 传 1 33 西瓜中 约 90 的甲基化等位位点在品种培 育过程中稳定遗传 22 拟南芥在 30 个自交世代中 大片段连续 DNA 甲基化区域同 DNA 序列变异一样 稳定 1 本研究中 超过 80 的甲基化等位位点是稳 定遗传的 可以用于自交水稻品种培育 自交水稻品 种培育者也关心杂合型甲基化位点的分离模式 蕃 茄 Solanum lycopersicum 34 与拟南芥 35 杂合甲基位 点中 遵从与违反孟德尔分离规律的实例均存在 这与本研究吻合 表 8 网络版附图 1 因此 不能在 甲基化等位点位位点中期望遗传等位位点的分离 模式 中国南方水稻育种主要利用***优势 等位点 位点间的互作被认为是杂交优势的原因 36 38 油菜 Brassica SP11 S locus protein 11 基因显性座位 Smi 产 生 的 siRNAs 通 过 RdDM RNA directed DNA methylation 机制反式介导 SP11 隐性座位 DNA 甲基 化 从而抑制其表达 39 亲本与***间 DNA 甲基化 与基因表达之间的关系在拟南芥基因组范围内也得 到了证实 35 以上研究表明 DNA 甲基化通过调控 基因表达与表型 可能参与了***优势的形成 本研 究发现 杂交稻的甲基化状态与母本较近 与父本较 远 表明在利用表观等位位点进行水稻育种时 应更 多关注母本甲基化状态 本实验只研究了一个杂交 组合 不能排除如高粱 Sorghum bicolor L ***中 40 观察到的其他 DNA 甲基化等位位点类型可能性 DNA 甲基化在不同玉米 F1个体间也存在差异 41 提 示需要对水稻 F1群体内DNA 甲基化稳定性进行调查 因为***群体遗传一致性是品种商业开发的前提 总之 本研究揭示了中国杂交籼稻亲本间 DNA 甲基化多态性 也分析了它们在自交与杂交过程中 的遗传稳定性 为 DNA 甲基化等位基因应用于水稻 育种奠定了基础 参考文献 1 Becker C Hagmann J Muller J et al Spontaneous epigenetic variation in the Arabidopsis thaliana methylome Nature 2011 480 245 249 2 Sha A H Lin X H Huang J B et al Analysis of DNA methylation related to rice adult plant resistance to bacterial blight based on methylation sensitive AFLP MSAP analysis Mol Genet Genomics 2005 273 484 490 3 Akimoto K Katakami H Kim H J et al Epigenetic inheritance in rice plants Ann Bot Lond 2007 100 205 217 4 Fieldes M A Heritable effects of 5 azacytidine treatments on the growth and development of flax Linum usitatissimum genotrophs and genotypes Genome 1994 37 1 11 5 Qi X Li Z H Jiang L L et al Grain yield heterosis in Zea mays L shows positive correlation with parental difference in CHG methylation Crop Sci 2010 50 2338 2346 6 Habu Y Kakutani T Paszkowski J Epigenetic 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