丛枝病发生对白花泡桐组蛋白甲基化和乙酰化修饰影响研究

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白花泡桐(Paulownia fortunei)是一种原产于我国属于玄参科(Scorphulariaceae)的乔木,对人类和环境有重要的经济与社会价值。但是,由植原体(phytoplasma)引起的泡桐丛枝病(Paulownia witches’broom,Pa WB)对泡桐具有极大危害,例如引起腋芽丛生,节间变短,叶片变小发黄,扰乱其生长发育并引发死亡,给农林业生产带来了严重的经济损失,阻碍了泡桐在世界范围的发展。因此,揭示植原体在泡桐中的发病机理和分子机制,以及新品种的培育成为泡桐发展的重中之重。本文通过以60 mg·L-1甲基磺酸甲酯(methyl methane sulfonate,MMS)处理前后的白花泡桐健康苗和病苗为材料,利用ChIP-seq技术在泡桐全基因组水平上检测组蛋白修饰H3K4ME3、H3K9AC、H3K36ME3的富集情况,并与泡桐转录组相关联,筛选出了与丛枝病发生相关基因,并对基因表达量与组蛋白修饰关系进行了分析,为阐明泡桐丛枝病发生机理奠定了坚实基础。本文具体研究结果如下:(1)通过ChIP-seq技术,本试验平均每个样本得到raw reads 54604426条,clean reads48953870条,clean reads的碱基7151337384个,平均G+C的数量占总的碱基数量的百分比为36.93%。将clean reads比对到基因组上,发现有41189460条(84.32%)reads比对到了泡桐基因组。(2)对MMS试剂处理前后健康苗和病苗样品获得的富集峰(peak)进行长度、数量、及分布特征分析,发现三种组蛋白修饰多富集在基因的编码区和启动子区,且在转录起始位点附近富集最多。(3)不同基因可发生多种组蛋白修饰。根据方案分析,在H3K4ME3修饰中筛选出了1158个peak富集在919条基因上,在H3K36ME3修饰中共得到752个共富集在558个基因上的peak,在H3K9AC修饰中,得到783条基因,富集上1059个peak。其中,有49个基因上发生了H3K4ME3和H3K36ME3修饰,有37个基因发生了H3K36ME3和H3K9AC修饰,有81个发生了H3K4ME3和H3K9AC修饰,而三种组蛋白修饰都发生的有11个基因。(4)将ChIP-seq与RNA-seq数据进行关联,发现H3K4ME3修饰中有387个peak关联上,富集在374个基因上;H3K36ME3修饰中有341个基因,存在352个peak;H3K9AC修饰有422个peak,在410个基因上富集。其中4个基因共同存在三种修饰。有29个基因共同发生了H3K4ME3和H3K36ME3修饰,20个基因共同发生了H3K36ME3和H3K9AC修饰,38个基因共同发生了H3K4ME3和H3K9AC修饰。且在三种修饰中,发现只有一部分基因的表达量受组蛋白修饰水平的影响,其中正相关的比例稍大。(5)对关联上的与丛枝相关的基因进行注释分析,发现这些基因多与植物激素和植物病原互作有关。认为泡桐感染植原体后,激素失衡可能导致了泡桐形态发生变化,并参与泡桐体内的防御体系,产生抗病基因抵抗植原体。
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