安诺甲基化测序技术助力水稻育种研究荣登PNAS
2019.04.17

近日,中科院植物所刘春明研究员带领课题组成员对水稻籽粒糊粉层厚度的调控机制进行了研究,并于《美国科学院院报》(PNAS)上发表了研究成果,为水稻及其它禾本科农作物营养品质育种提供了新的理论支持和育种思路,安诺基因为本项研究提供了全基因组甲基化测序(WGBS)的实验及分析服务,助力OsROS1调控水稻籽粒糊粉层厚度的机制揭示。


背景介绍


明治维新时期,日本军队爆发了一种曾在上层贵族中广为流传的“脚气病”。患者会出现肌肉瘫痪、心脏衰竭等症状。现代医学研究表明,该症状的出现,实际是由于长期食用精米,缺乏维生素B1所导致的。由此可发现长期食用精米无法满足人体对于营养元素的需求。


水稻籽粒的可食用部分多数是胚乳,由外部糊粉层和内部淀粉质胚乳组成。淀粉质胚乳在成熟时为死组织,主要积聚淀粉;糊粉层细胞为活组织,主要储存蛋白质、脂质、维生素和矿物质。保留糊粉层的糙米虽然口感欠佳,却具有更均衡的营养价值。增加糊粉层营养价值某种程度上也是提高水稻籽粒营养价值的策略之一。近日,中科院植物所刘春明研究员带领课题组成员对水稻籽粒糊粉层厚度的调控机制进行了研究,具体研究内容赶紧随小编来看起来~


期刊内容



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研究成果


研究者利用正向遗传学方法,筛选到具有糊粉层加厚的突变体ta2-1。该突变株籽粒糊粉层与野生型ZH11相比,总蛋白量、脂质、铁、锌、钙、膳食纤维、抗氧化剂、酚类和多种维生素都有显著提升,而总淀粉和直链淀粉量略微下降。利用ta2-1和ZH11进行的遗传学分析显示,ta2-1性状的遗传具有配子体母体效应。



ta2-1的籽粒相较ZH11具有较厚的糊粉层(箭头指示的白色外周部分)

ta2-1的籽粒相较ZH11具有较厚的糊粉层(箭头指示的白色外周部分)


研究者进一步对ta2-1和籼稻(NJ6)后代进行基于图谱的克隆,以鉴定TA2基因。根据>7,000个F2个体的结果,TA2被定位于一段包含3个基因的46 kb基因组区域。序列分析显示,ta2-1在Os01g0218032的14号内含子处存在一处G-A突变,产生了一种分子量较大的转录本。这个基因编码的蛋白与拟南芥ROS1(一种去甲基化酶)具有高度的序列一致性,被命名为OsROS1。后续将克隆得到的OsROS1基因分别转入三个独立的株系ta2-1中,观察到ta表型完全补足,表明ta2-1表型是OsROS1基因突变的结果。此外,研究者还鉴定出其它23种OsROS1突变产生的ta2等位基因,其中5个表现出ta表型。

 


OsROS1的染色体定位以及其突变产生新转录本(mOsROS1)的机制

OsROS1的染色体定位以及其突变产生新转录本(mOsROS1)的机制


鉴于ROS1在拟南芥DNA去甲基化过程中起到的重要作用,研究者认为OsROS1在水稻中可能也有类似功能。基于对ZH11和ta2-1的胚和胚乳DNA进行全基因组甲基化测序(WGBS),研究者分析了基因体、转座元件(TE)及其侧翼区的DNA甲基化修饰情况。在ta2-1胚乳中,CG和CHG的甲基化水平有显著提高,但CHH甲基化水平变化不显著,表明OsROS1可能参与胚乳中CG和CHG的去甲基化。



ta2-1胚乳中CG和CHG位点的甲基化水平(红线)均高于ZH11(蓝线)

ta2-1胚乳中CG和CHG位点的甲基化水平(红线)均高于ZH11(蓝线)


研究者对受到DNA甲基化水平变化的影响的基因进行了研究。他们对授粉后9天胚乳中糊粉层分化相关基因的甲基化和表达水平进行了分析,发现其中RISBZ1RPBF两个基因的转录组起始位点附近存在200 bp以上的高甲基化区域,而其表达水平出现了显著降低,表明这些基因受到了表观遗传水平的直接调控。

 


RISBZ1和RPBF两个基因的转录水平及转录起始位点甲基化水平的变化

RISBZ1RPBF两个基因的转录水平及转录起始位点甲基化水平的变化



安诺表观研究

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参考文献

Liu J, Wu X, Yao X, et al. Mutations in the DNA demethylase OsROS1 result in a thickened aleurone and improved nutritional value in rice grains[J]. Proc Natl Acad Sci U S A, 2018, 115(44): 11327-11332.



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