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通过DNA甲基化分析看真菌菇类的基因组进化

作者:Yu Li和 Lei Gong来源:Nature

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白灵菇Pleurotus tuoliensis(简称Pt)和杏鲍菇P. eryngii var. eryngii(简称Pe),是珍稀食用菌。

作为最广泛栽培的两种食用菌,Pe和Pt已被商业化生产,成为营养、医药、工业和动物饲料产品。

DNA甲基化作用是一种重要的、相对稳定的表观遗传修饰,参与转座元件(TE)沉默、染色质结构、基因表达调控和基因重组,它影响多种基本生物学过程,可作为进化创新的原料。

最近的研究表明,遗传DNA甲基化可以作为基因型、环境和表型之间的分子链接。

在真菌领域,DNA甲基化主要发生在TE,可能作为抑制其增殖的必要的基因组防御机制,但TE的甲基化状态也可能影响邻近基因的表达。

以PacBio RSII测序为基础,注释的所有识别的基因,我们对两种蘑菇从头组装高品质的基因组。

将平菇P. ostreatus当作近缘属物种,用比较基因组学分析Pt和Pe, 结果显示两个蘑菇基因组之间广泛的基因组分化,大约1/3的蛋白质编码基因的同线性被破坏,这主要是由于在任一分类中, 类群特异性基因的快速获得和同线性的破坏。

在全基因组水平上重新评价Pt和Pe之间的系统发育关系,证实了先前提出的将Pt指定为独立物种的想法。

与腐木相关的基因含量的变化可以在很大程度上解释这两种蘑菇的可变适应和寄主特异性。

在这两个组装的基因组序列的基础上,我们对甲基体和DNA甲基化在基因表达中的调节作用进行了表征和比较。

这两个重要的蘑菇的基因组、甲基化和转录组数据,为我们了解侧耳属及其相关属的进化,以及为蘑菇育种提供以基因组和表观基因组为基础的新策略。

鉴于DNA甲基化在调控真核生物基因表达和维持基因组稳定性中的关键作用,我们生成了Pt和Pe中全基因组DNA甲基化图谱,并进行了比较分析。

我们首先获得有效的甲基化测序数据,覆盖两个基因组中超过87%的胞嘧啶位点(Pt86.7%和Pe88.6%)。总体上,在Pt和Pe中也发现了相似的DNA甲基化图谱,证据包括:

(1)CG序列的优先mC(甲基化胞嘧啶)显示平均甲基化水平(Pt14.6%和Pe16.4%)显著高于那些在CHG和CHH序列中的水平(PG中CHG和CHH分别是1.4%和1.7%;Pe中CHG和CHH是1.3%和1.5%),与其他真菌相似;

(2)两个种类的TE和基因区域的DNA甲基化水平曲线上的不同峰值表明mCG主要位于TE中,而在基因中几乎被耗尽。

(3)这两个基因组harbor与mCG水平和TE密度的全基因组共定位模式类似(图4B);

(4)两个基因组中的mCG水平遵循双峰分布,其中mCG总是聚集在最低(<10%)或最高(>80%)甲基化水平,类似于植物和其他真菌。

总之,这些结果表明DNA甲基化主要发生在CG序列,并且它们可能在TE活性沉默、调节基因表达和维持Pt和Pe中的基因组稳定性方面发挥重要作用。

尽管在Pt和Pe之间的相似性似乎在基因组特征中占优势,但在Pt和Pe之间胞嘧啶甲基化形式的区域表观基因组分化可以支撑其菌丝体和继果期的发育分化。

因此,我们在Pt和Pe的同步区内进行DNA甲基化的详细比较,并在菌丝阶段鉴定了Pt和PE中的667个DMRS(差异甲基化区域)(图4C)。

我们观察到:

(1)只有1.7%的共线性区域被包含在所识别的DMRS中。

(2)Genic DMRs(DMRs基因体及其侧翼1kb区)在Pt和Pe中分别占DMRS的最高比例(Pe的56.2%和Pt的64.3%)。

(3)对任一种,基因Pt或Pe甲基化DMRS均无显著偏倚(Fisher精确检验,P>0.05)。

因此,DNA甲基化在Pt和Pe中的差异虽然有限,但主要发生在它们的基因区域,对任一种均无偏倚。

我们注意到,涉及这两个物种的基因DMRs(Pt的291和PE的262个基因)共享GO术语,如氧化还原过程、蛋白质磷酸化、跨膜转运等。

因此,这两个物种的DMRS基因为未来在的表观遗传基础上,对两个侧耳类群之间的形态和生理差异的功能研究提供了候选方向。

图一

甲基化系统发育树:Circos圈圈图描述的Pt和Pe的基因组特征

Circos圈圈图描述的Pt和Pe的基因组特征.

从外到内的圆圈代表重叠群的长度(彩色和黑色条纹分别代表从Pt和Pe衍生的重叠群)、基因密度、重复元素含量、

菌丝体RNA-seq测试数据的覆盖范围、DNA CG甲基化水平、siRNA测序数据覆盖率。每个特征基于10 kb的非重叠窗口计算。同长基因对通过最内层圈的彩色线连接。


图4

20180531-2A.jpg

Pt和Pe的DNA甲基化图谱。

A. Pt中的平均DNA甲基化水平,TE区域内,TSS和TTS之间,基因周围(侧翼+1kb);

B. 基因的密度曲线、TE(上部)和DNA甲基化水平分布(在CG、CHG和CHH序列,底部),沿Pt基因组的重叠群1;

C. Pt和Pe中,在基因内(定义为侧翼+1kb间隔的基因区域)已识别的DMRs(超、次甲基化区)的数量、基因间和重复区;

D. 十五种真菌种类的基因同系物编码DNA甲基转移酶基因系统发育树。

最大似然(ML)系统发育树是基于56个DNA甲基转移酶的DNA甲基化酶结构域(PF00145)构建。

使用MAFFT和FastTree(有1000个自举复制)分别完成序列比对、树构造和进一步验证。


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参考文献

The evolution of genomic and epigenomic features in two Pleurotus fungi

Zhibin Zhang, Jiawei Wen, Juzuo Li, Xintong Ma, Yanan Yu, Xiao Tan, Qi Wang, Bao Liu, Xiaomeng Li, Yu Li & Lei Gong




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