摘要
莲属（Nelumbo）是真双子叶植物基部的水生植物，现存莲和美洲黄莲两个种。野生莲呈现两个生态型:温带莲和热带莲。温带莲分布于亚洲温带乃至寒带地区，具有明显的年生长发育周期，秋季地下茎膨大成藕而休眠;热带莲分布于亚洲热带及澳大利亚北部地区，长年无明显停顿生长，地下茎鞭状不膨大。地下茎俗称藕或藕带，是常用餐菜之一，也是区分温带莲和热带莲的重要器官。目前，莲两生态型适应性分化机制仍不清楚。DNA甲基化与非编码RNA能在不改变DNA序列的前提下，改变物种的遗传表现，参与植物器官发生和发育，但其在莲两生态型分化中作用尚缺乏探讨。开展莲藕和藕带形成分子机理的研究，对理解莲两生态型形成及适应性分化有重要意义;同时，挖掘控制地下茎成型的优质遗传资源，对优异藕莲品种选育也有重要意义。 本研究采用重亚硫酸盐测序和全转录组测序技术，选用中国、俄罗斯、泰国、澳大利亚和印度野生莲，对比5个地区野生莲的生长发育习性和表型差异，从表观组和转录组层面探究莲两生态型适应性遗传分化机制。本文的主要结果如下: (1)通过对5个地区野生莲生长发育后期地下茎和立叶的全基因组DNA甲基化分析，发现莲CG类型的甲基化水平最高，其次是CHG和CHH类型(H代表A，T或C)。比较各样本DNA甲基化水平发现，地下茎CHH甲基化水平显著高于叶，温带莲CG和CHG甲基化水平显著高于热带莲。基于系统发育分析发现，温带莲和热带莲在CG甲基化下存在明显分歧，地下茎和叶在CHH甲基化下存在明显分歧。本研究鉴定了17728个生态型差异甲基化区域，包括11830个高甲基化区域和5898个低甲基化区域（温带莲），被注释到4459个基因和2859个启动子。两个DNA甲基化酶和一个DNA去甲基化酶动态维持了莲两生态型DNA甲基化模式差异。启动子差异甲基化显著促进了莲两生态型地下茎基因表达差异，其显著富集于与莲生态型地下茎表型分化有关的多个生物过程条目。启动子与基因体甲基化调控基因表达丰度模式较为复杂，负向调控基因多于正向调控，且转座子增强了基因对DNA甲基化的表达水平敏感性。许多与淀粉合成和植物激素信号转导相关基因的启动子甲基化和表达丰度显著相关，作用于莲两生态型分化。 (2)通过对5个地区野生莲的生长发育后期地下茎的全转录组数据分析，构建了mRNA、lncRNA、miRNA和circRNA表达谱，mRNA和lncRNA呈现明显生态型表达分化，miRNA和circRNA表达具有地区特异性。本研究共鉴定到2620个mRNA、36个lncRNA、42个circRNA和17个miRNA生态型差异/特异性表达，GO和KEGG富集分析显示其主要参与糖类代谢和植物激素信号传导。本研究构建了非编码和编码RNA的共表达网络及竞争性内源RNA网络，竞争性内源RNA网络中表达非编码RNA和基因参与了莲两生态型分化，如miR156/SPL模块。调控淀粉合成和生长素信号传导的关键非编码RNA和基因存在互作，对两生态型地下茎淀粉含量和表型差异有重要影响。通过比较基因体核苷酸多态性和RNA表达丰度相关性发现，两生态型间的高基因组序列差异通过稀释mRNA、lncRNA和circRNA差异表达促进了莲生态型分化，但加速了miRNA的生态型差异表达，表明基因组和转录表达协调控制了莲两生态型地下茎的适应性分化。 (3)基于比较转录组学研究发现UDP-糖基转移酶1家族(Family-1uridinediphosphate-glycosyltransferases;UGTs)重要成员在莲两生态型幼苗期已发生表达分化。本研究进一步详细解析了莲UGT基因家族，共鉴定出108个UGT基因，并系统分析了莲UGT基因家族成员的分子特性、系统发育关系、基因位置和结构、保守基序、时空表达模式和生态型表达差异。此外，本研究明确了莲UGT特异植物次生产物糖基转移酶保守结构域，多数莲UGT家族成员丢失内含子序列。莲UGT基因家族的扩增由串联复制和全基因组复制共同驱动。基于不同组织的表达数据，发现莲UGT基因家族表达具有明显的空间和时间特异性。此外，结合地下茎（膨大期）、叶和根（幼苗期）的转录组数据，挖掘了与莲生态型分化相关的关键UGT基因。 利用多组学数据，本文探究了莲两生态型的表观组和转录组分化机制，丰富并深化了莲地下茎表型分化的分子理论基础，同时挖掘了调控地下茎膨大或藕带形成的相关候选基因和遗传标记（非编码RNA和DNA甲基化），对进一步开展莲藕分子育种具有指导意义。
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