綜述:水稻的表觀遺傳調控和表觀基因組圖譜

2020-12-05 科學網

水稻中多種表觀遺傳調控方式的相互作用

表觀遺傳（epigenetics）是指在核苷酸序列不發生改變的情況下，可遺傳的基因表達變化，具體的調控方式包括：DNA甲基化（DNA methylation）、組蛋白修飾（histone modification）、染色質重塑（chromatin remodeling）以及非編碼RNA（non-coding RNA）等。表觀遺傳調控是生物體調節基因表達及染色體行為的重要機制之一，對基因表達調控、轉座子沉默、基因組穩定性以及生物體生長發育有著重要的調控作用。在植物中，表觀遺傳調控廣泛存在，在植物響應外界環境、調控生長發育可塑性等方面發揮著重要作用。而近年來隨著高通量測序技術及其相關技術手段的發展，一幅表觀基因組學「畫卷」也漸漸展現在人們面前。

水稻是重要的糧食作物，是世界上一半以上人口的主糧，在漫長的進化與馴化的過程中，人們積累了豐富的水稻遺傳與種質資源。近年來隨著粳稻（日本晴）和秈稻（93-11）品系全基因組序列及3000份水稻品種基因組信息的釋放，科學家在探索水稻複雜農藝性狀的分子機制方面取得了長足的進展，而表觀遺傳調控在其中佔據了重要一席。針對表觀遺傳學及表觀基因組學的深入研究將有望對水稻育種等生產實踐領域產生推進作用，為進一步從表觀遺傳角度進行水稻品種改良及分子設計育種提供全新的思路和手段。

近期，《國家科學評論》發表了中國科學院遺傳與發育生物學研究所曹曉風院士等人的綜述文章「Epigenetic regulation and epigenomic landscape in rice」，對近年來水稻表觀遺傳調控和表觀基因組圖譜方面的研究成果進行了系統性的介紹。

該綜述首先分類介紹了水稻中的多種表觀遺傳調控方式及其關鍵調節因子，並對水稻的表觀基因組圖譜進行了詳細論述。文中介紹的表觀遺傳類別包括：

  1. DNA甲基化：作為一種高等生物中保守的表觀遺傳修飾，DNA甲基化在維持基因組穩定性、調控基因表達和介導轉基因沉默等生物學過程中起著非常重要的作用。本文重點介紹了全基因組水平的水稻DNA甲基化圖譜的相關研究，以及水稻DNA甲基化修飾建立、維持和去除過程中所涉及的關鍵酶類，如OsDRM2、OsMET1、OsCMT3、OsDDM1、OsROS1c (DNG701)和OsROS1a等。
  2. 組蛋白修飾：組蛋白修飾可以通過改變染色質結構或者通過招募與其特異性結合的調控因子改變基因轉錄水平，調控植物的生長發育和環境響應過程。本文對參與水稻組蛋白乙醯化和甲基化修飾的重要因子的生物學功能進行了介紹，並對水稻中多種重要組蛋白修飾的基因組圖譜進行了描述。
  3. 非編碼RNA調控：近年來的研究表明，內源非編碼RNA在植物的生長發育、響應生物和非生物脅迫等方面發揮著非常重要的作用。非編碼RNA對水稻重要農藝性狀的形成和調控機制已成為遺傳育種學家關心的熱點和前沿。本文介紹了水稻中微小RNA (miRNA)、小幹擾RNA (siRNA)和長非編碼RNA (lncRNA)的生成及作用方式，對已發現的水稻功能性非編碼RNA進行了匯總，並對水稻中幾種重要的非編碼RNA的生物學功能進行了深入闡述。

在此基礎上，本文還著重討論了水稻中多種表觀遺傳調控方式的關聯和相互作用，以及多種表觀遺傳修飾調控水稻轉座元件的活性研究。如下圖所示，在上述三大類表觀遺傳調控方式之間，存在著複雜的相互調控關係。另外，與模式植物擬南芥相比，水稻基因組中含有大量的轉座元件，進一步針對水稻 「轉座組」的研究對水稻育種和生產實踐具有重要意義。

這篇綜述還結合水稻表觀遺傳研究現狀，對這一領域的未來發展方向進行了展望，提出以下幾方面值得深入思考和研究的內容，包括：對表觀遺傳調控與轉座元件關係的研究；對基因組、表觀遺傳信息和農藝性狀之間關係的研究；對染色質結構和基因組組織方式的研究；對表觀遺傳調控的生物學意義的研究；加快發展相關技術，使表觀遺傳研究結果為發展品種改良方法提供新的科學依據。（來源：科學網）

文章信息：

Xian Deng, Xianwei Song, Liya Wei, Chunyan Liu and Xiaofeng Cao. Epigenetic regulation and epigenomic landscape in rice. National Science Review. (2016) 3 (3): 309-327.

https://doi.org/10.1093/nsr/nww042

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