全基因組DNA甲基化和小RNA分析揭示甘藍型油菜種子的基因組不對稱性
多倍體是被子植物基因組進化中的一種持續現象，有助于現存開花植物的多樣性。甘藍型油菜（Brassica napus）是世界上最重要的被子植物油料作物品種之一，起源于Brassica rapa（An）和Brassica oleracea（Cn）的種間雜交。盡管轉錄組學中基因組優勢的趨勢開始顯現，但多倍體在生殖發育過程中的表觀遺傳學和小RNA（small RNA，sRNA）調控機制知之甚少。種子是向新孢子體代的關鍵發育過渡，并隨時間發生表觀遺傳修飾。雙二倍體（amphidiploids）種子發育的協調需要祖細胞（Progenitor cell）基因組的表觀遺傳平衡。雖然DNA甲基化和RNA干擾是支持發育的關鍵過程，但將它們與種子發育聯系起來的許多細節仍在出現，尤其是在異源多倍體中。
2023年05月17日，加拿大曼尼托巴大學生物科學系Mark F Belmonte團隊在《The Plant Journal》雜志發表題為“Genomic asymmetry of the Brassica napus seed: epigenetic contributions of DNA methylation and small RNAs to subgenome bias”的研究論文，該研究利用WGBS和sRNA-seq等實驗揭示了DNA甲基化和小RNA在甘藍型油菜種子亞基因組偏好中的表觀遺傳作用。
標題：Genomic asymmetry of the Brassica napus seed: epigenetic contributions of DNA methylation and small RNAs to subgenome bias（甘藍型油菜種子的基因組不對稱性：DNA甲基化和小RNA對亞基因組偏好的表觀遺傳貢獻）
時間：2023-05-17
期刊：The Plant Journal
影響因子：IF 7.091
技術平臺：WGBS、sRNA-seq等
研究摘要
本研究分析了甘藍型油菜（B. napus）種子發育過程中，An和Cn兩個亞基因組以及祖代縮減的基因組（ancestral fractionated genome）中DNA甲基化和小干擾RNA（small interfering RNA，siRNA）圖譜的偏好發生率。研究結果表明，Cn亞基因組的siRNA表達和胞嘧啶甲基化的普遍存在偏好，其中Cn亞基因組啟動子區域的DNA甲基化尤為富集。此外甘藍型油菜祖代三倍體亞基因組中的siRNA轉錄模式是保守的，而在An和Cn兩個亞基因組中不保守。從基因組縮減和多倍體化角度研究了甘藍型油菜種子的甲基化模式與基因、啟動子區域、siRNA位點和轉座元件（transposable element，TE）相關。本研究為甘藍型油菜種子發育過程中選擇性沉默Cn亞基因組的表觀遺傳調控提供了證據，并探討了基因組縮減對甘藍型油菜種子表觀遺傳組分的影響。
研究結果
（1）甘藍型油菜種子甲基化組單堿基分辨率圖譜揭示了Cn亞基因組偏好
表1：甘藍型油菜葉片、GLOB期和MG期種子基因組上1 kb窗口的甲基化百分比
（2）啟動子元件的差異甲基化靶向參與甘藍型油菜種子碳代謝和發育的基因
（3）相對于其他蛋白質編碼基因，轉錄因子（TF）低甲基化
表2：RE（TE）、基因體和啟動子元件（TSS上游1 kB窗口）、TF基因體和啟動子以及siRNA簇的甲基化百分比
（4）縮減的基因組在基因和啟動子上表現出不同的甲基化
圖4：基因組的DNA甲基化表征：基因、啟動子區域（prom）、重復元件（RE）和siRNA位點。
以甘藍型油菜（Brassica napus）的縮減基因組（最少縮減(LF)、最多縮減(MF1、MF2)）及其對應的亞基因組（A、C）劃分的箱型圖和晶須圖。
（5）種子成熟以轉錄的siRNA位點數量增加為表征
（6）甘藍型油菜種子中轉座元件（TE）和基因啟動子區域編碼大部分轉錄sRNA
圖6：由轉座元件（TE）、基因體和啟動子編碼的小干擾RNA（siRNA）簇。
（7）祖代基因組縮減對種子發育過程中的siRNA積累影響不大
圖7：種植發育OV期、GLOB期、heart期、MG期和DS期的最少縮減（LF)和最多縮減（MF1和MF2）基因組＞1 read/M（RPM）siRNA位點小提琴圖
（8）基因組縮減對非蛋白編碼元件的影響小于對基因體和啟動子區域的影響
圖8：在CHG和CHH甲基化環境中，基因、啟動子、轉座元件（TE）和小干擾（si）RNA位點的高度不顯著比較（P>0.1，Mann-Whitney-Wilcoxon）。
（a）球形期（GLOB）、（b）綠熟期（MG）、（c）GLOB-MG的比較。
結論
總之，本研究為甘藍型油菜種子中Cn亞基因組的表觀遺傳偏好和基因組中非蛋白編碼元件的表觀遺傳調控機制提供了證據。本研究數據表明，基因組縮減并沒有實質性地改變轉座子和種子發育過程中calling的siRNA甲基化譜。種子的表觀遺傳結構可能是決定甘藍型油菜進化軌跡的重要因素，尤其與多倍體作物相關。
參考文獻：Ziegler DJ, Khan D, Pulgar-Vidal N, Parkin IAP, Robinson SJ, Belmonte MF. Genomic asymmetry of the Brassica napus seed: epigenetic contributions of DNA methylation and small RNAs to subgenome bias. Plant J. 2023 May 17. doi: 10.1111/tpj.16254. PubMed PMID: 37195091.
2023年05月17日，加拿大曼尼托巴大學生物科學系Mark F Belmonte團隊在《The Plant Journal》雜志發表題為“Genomic asymmetry of the Brassica napus seed: epigenetic contributions of DNA methylation and small RNAs to subgenome bias”的研究論文，該研究利用WGBS和sRNA-seq等實驗揭示了DNA甲基化和小RNA在甘藍型油菜種子亞基因組偏好中的表觀遺傳作用。
標題：Genomic asymmetry of the Brassica napus seed: epigenetic contributions of DNA methylation and small RNAs to subgenome bias（甘藍型油菜種子的基因組不對稱性：DNA甲基化和小RNA對亞基因組偏好的表觀遺傳貢獻）
時間：2023-05-17
期刊：The Plant Journal
影響因子：IF 7.091
技術平臺：WGBS、sRNA-seq等
研究摘要
本研究分析了甘藍型油菜（B. napus）種子發育過程中，An和Cn兩個亞基因組以及祖代縮減的基因組（ancestral fractionated genome）中DNA甲基化和小干擾RNA（small interfering RNA，siRNA）圖譜的偏好發生率。研究結果表明，Cn亞基因組的siRNA表達和胞嘧啶甲基化的普遍存在偏好，其中Cn亞基因組啟動子區域的DNA甲基化尤為富集。此外甘藍型油菜祖代三倍體亞基因組中的siRNA轉錄模式是保守的，而在An和Cn兩個亞基因組中不保守。從基因組縮減和多倍體化角度研究了甘藍型油菜種子的甲基化模式與基因、啟動子區域、siRNA位點和轉座元件（transposable element，TE）相關。本研究為甘藍型油菜種子發育過程中選擇性沉默Cn亞基因組的表觀遺傳調控提供了證據，并探討了基因組縮減對甘藍型油菜種子表觀遺傳組分的影響。
圖1：甘藍型油菜種子發育的表觀遺傳模型假設
- 從配子體發生（gametogenesis）到成熟期結束，種子發育可分為5個離散時期：胚珠期（ovule，OV）、球形期（globular，GLOB）、心形期（heart）、綠熟期（mature green，MG）和干種子期（dry seed，DS）。所有五個時期進行sRNA-seq測序分析，同時對球形期（GLOB）和綠熟期（MG）的種子進行全基因組重亞硫酸鹽測序（WGBS），GLOB期和MG期分別代表了形態發生和成熟開始的關鍵發育轉變。
- 共線性圖顯示了雙二倍體甘藍型油菜基因組中每條染色體最大的連續共線性區，Brassica rapa（Br）的An亞基因組，Brassica oleracea（Bo）的Cn亞基因組。
- 表觀遺傳保守性的假設模型——基因組的broad共線區表明兩個亞基因組之間的高度保守。這些區域的保守可能導致生殖中類似的表觀遺傳結構。
研究結果
（1）甘藍型油菜種子甲基化組單堿基分辨率圖譜揭示了Cn亞基因組偏好
表1：甘藍型油菜葉片、GLOB期和MG期種子基因組上1 kb窗口的甲基化百分比圖2：甘藍型油菜種子發育中的DNA甲基化
- 平均胞嘧啶甲基化水平。顯示球形期（GLOB，綠色）、綠熟期（MG，藍色）和質體（plastidial，灰色）基因組所有覆蓋胞嘧啶的平均甲基化。
- 甘藍型油菜An和Cn兩個亞基因組中甲基化縮減的基因組水平：最少縮減（LF）、最多縮減（MF1和MF2）。分位數箱線圖顯示在CG、CHG和CHH中，葉片、GLOB期種子和MG期種子的共線性區域1 kB窗口中的胞嘧啶甲基化水平。
（2）啟動子元件的差異甲基化靶向參與甘藍型油菜種子碳代謝和發育的基因
圖3：在種子發育全過程中，不同基因組元件的DNA甲基化變化。
- 百分比堆積柱形圖顯示球形期（GLOB）種子和綠熟期（MG）種子以及葉片之間的高甲基化和低甲基化基因（GENE）、1 kb上游調控區（啟動子，PROM）和轉座元件（transposable element,TE）。分別為GLOB期種子（橙色）或MG期種子（淺橙色）中的高甲基化，GLOB期種子（黃色）或MG期種子（淺黃色）中的低甲基化，GLOB期種子和MG期種子中的高甲基化（深藍）或低甲基化（淺藍）。
- 種子發育GLOB期和MG期的啟動子差異甲基化基因GO富集分析。深色表示高度富集。
（3）相對于其他蛋白質編碼基因，轉錄因子（TF）低甲基化
表2：RE（TE）、基因體和啟動子元件（TSS上游1 kB窗口）、TF基因體和啟動子以及siRNA簇的甲基化百分比
（4）縮減的基因組在基因和啟動子上表現出不同的甲基化
以甘藍型油菜（Brassica napus）的縮減基因組（最少縮減(LF)、最多縮減(MF1、MF2)）及其對應的亞基因組（A、C）劃分的箱型圖和晶須圖。
（5）種子成熟以轉錄的siRNA位點數量增加為表征
圖5：甘藍型油菜種子發育過程中的小干擾RNA（siRNA）reads積累
- 種子發育不同時期的文庫中總siRNA位點的reads/M（RPM）比例表現出出一致的Cn亞基因組偏好。
- 在種子發育早期，較少siRNA位點占總reads較大比例，而reads在綠熟期（MG）比胚珠期（OV）、球形期（GLOB）、心形期（heart）分布更均勻。
（6）甘藍型油菜種子中轉座元件（TE）和基因啟動子區域編碼大部分轉錄sRNA
圖6：由轉座元件（TE）、基因體和啟動子編碼的小干擾RNA（siRNA）簇。
- siRNA在種子發育全過程中以一致的Cn亞基因組偏好性積累。
- 源于基因體的siRNA在DS期積累最強，數量少于由啟動子區編碼的siRNA。
- 啟動子區siRNA在綠熟期（MG）表達最為富集，從胚珠期（OV）到MG期表達增加。啟動子區域比基因體編碼的siRNA表現出更強的亞基因組偏好。
- 對與啟動子區域相關的編碼基因（每個種子階段最高表達的500個siRNA簇）進行GO富集分析，該啟動子區域編碼每個種子階段最高表達的500個siRNA簇。
（7）祖代基因組縮減對種子發育過程中的siRNA積累影響不大
圖7：種植發育OV期、GLOB期、heart期、MG期和DS期的最少縮減（LF)和最多縮減（MF1和MF2）基因組＞1 read/M（RPM）siRNA位點小提琴圖
（8）基因組縮減對非蛋白編碼元件的影響小于對基因體和啟動子區域的影響
（a）球形期（GLOB）、（b）綠熟期（MG）、（c）GLOB-MG的比較。
結論
總之，本研究為甘藍型油菜種子中Cn亞基因組的表觀遺傳偏好和基因組中非蛋白編碼元件的表觀遺傳調控機制提供了證據。本研究數據表明，基因組縮減并沒有實質性地改變轉座子和種子發育過程中calling的siRNA甲基化譜。種子的表觀遺傳結構可能是決定甘藍型油菜進化軌跡的重要因素，尤其與多倍體作物相關。
參考文獻：Ziegler DJ, Khan D, Pulgar-Vidal N, Parkin IAP, Robinson SJ, Belmonte MF. Genomic asymmetry of the Brassica napus seed: epigenetic contributions of DNA methylation and small RNAs to subgenome bias. Plant J. 2023 May 17. doi: 10.1111/tpj.16254. PubMed PMID: 37195091.
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