新的具有转座活性的黑麦转座子元件的分离、鉴定及其转座机理研究

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:LuYang
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转座子元件组成了禾本科基因组的大部分,也是造成物种间和物种内基因组多样性的重要原因。在真核生物基因组中,受宿主基因组的调控,大部分转座子元件以不具有转座活性的的形式存在。黑麦是小麦重要的遗传资源,转座子元件占其基因组成的72%以上。但是到目前为止,黑麦中只有3个有转座活性的转座子元件家族被进行了详细的研究,包括Revolver、Superior和RYS1,并且这三个家族均属于DNA转座子。  本研究通过黑麦基因组特异的BAC克隆的筛选、测序和序列分析,获得了两个黑麦基因组特异的转座子元件,SceGyp1_Daniela1和SceGyp1_Laura1。其中SceGyp1_Daniela1是一个全长的Ty3/gypsy类反转录转座子,与Daniela家族同源。SceGyp1_Laura1与Ty3/gypsy类反转录转座子中的Laura同源,但是启动子序列没有位于LTR序列内,而是紧挨着gag-pol基因。虽然在小麦和大麦基因组中均能找到SceGyp1_Daniela1和SceGyp1_Laura1的同源序列(同源性约80%),但荧光原位杂交的结果表明这两个转座子元件均为黑麦基因组特异的转座子元件。由此说明,SceGyp1_Daniela1和SceGyp1_Laura1朝着不同于小麦和大麦来源序列的方向进化,并且变异发生在黑麦与小麦和大麦分化之后。SceGyp1_Daniela1弥散分布于黑麦整条染色体上,但在着丝粒区无明显信号。SceGyp1_Laura1在黑麦染色体的亚着丝粒区域和端部均有明显的信号,在染色体臂上有弱的弥散信号。通过比较这两个转座子元件的结构,发现在SceGyp1_Laura1的整合酶的C末端有一chromodomain结构域,该结构域可能与SceGyp1_Laura1定向的转座到染色体的异染色质区有关,特别是端部和亚着丝粒区域。  通过研究SceGyp1_Daniela1和SceGyp1_Laura1在ABA、MeJA和PEG胁迫处理材料(黑麦及其与小麦远缘杂交后代)中的表达水平和拷贝数变化,发现这两个转座子元件在未处理材料中就有一定水平的表达,且在胁迫条件下表达量上调,并且拷贝数也随之增加,由此说明转座子元件能够响应胁迫并进行大量的转录和生成新的DNA拷贝。另外通过研究SceGyp1_Daniela1和SceGyp1_Laura1在甲基化抑制剂zebularine处理材料中的表达水平和拷贝数变化,发现这两个转座子元件在处理材料中能够上调表达,并有拷贝数的增加。分析SceGyp1_Daniela1和SceGyp1_Laura1在甲基化抑制剂zebularine处理材料中的甲基化水平变化,发现SceGyp1_Daniela1和SceGyp1_Laur1在甲基化抑制剂处理材料中的甲基化水平与对照相比,无明显变化;在对照和处理材料中这两个反转录转座子的启动子区均以部分甲基化的状态存在,SceGyp1_Daniela1的编码区在对照和处理材料中也以部分甲基化的状态存在,但SceGyp1_Laura1的编码区则以近乎完全甲基化的状态存在。将甲基化分析结果与siRNA在这两条反转录转座子序列上的分布进行比较,发现siRNA在其序列上分布的丰度与相应序列上的甲基化程度呈负相关。另外SceGyp1_Daniela1和SceGyp1_Laura1在胁迫处理和甲基化抑制剂处理材料中的表达量和拷贝数在上升到一定值后会下降,下降到一定值后会上升。由此说明在植物基因组中可能存在着调控转座子元件来源的mRNA和eccDNA在细胞内含量的机制,如降解机制和将mRNA加工成siRNA的机制,而siRNA又反过来抑制转座子元件的转录。宿主基因组对转座子元件的这些调控机制维持着细胞内环境的稳定性,以避免或减弱转座子元件转座对基因组造成的影响。  通过分析SceGyp1_Daniela1和SceGyp1_Laura1在黑麦远缘杂交材料中的表达和染色体定位,发现在这两个转座元件在不同材料中的表达水平不同,其中SceGyp1_Daniela1在黑麦与小麦杂交的F1代、5R附加系、6R附加系和7R附加系中的表达水平要高于黑麦中的表达量。SceGyp1_Laura1在黑麦远缘杂交材料中黑麦染色体端部的信号比在黑麦中的强,并且该转座子元件在不稳定小黑麦材料中染色体端部的信号比在稳定小黑麦中的信号强。这些结果说明转座子元件在远缘杂交后代,尤其是不稳定杂交后代中转座的几率要大于非远缘杂交材料。本研究有助于分析转座子元件在黑麦基因组进化、抗逆性和物种形成过程中的重要作用,也有助于理解宿主基因组对转座子元件的复杂调控机理。
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