蓖麻籽lnc-RNAs表达网络与遗传模式的差异分析
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合作单位：中科院昆明植物研究所
发表期刊：The Plant Journal
影响因子IF：5.901
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研究背景
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蓖麻是非常重要的经济作物，此前作者与基迪奥合作已经收获了两篇高分文章，文章1进行了蓖麻籽基因组印记的研究（IF:8.8），文章2 进行了胚与胚乳甲基化差异机制的研究（IF:6.8）。
这一次作者紧跟lncRNAs的研究热点，首先从lncRNAs差异表达及功能特征揭示其对胚与胚乳发育的调控，然后将文章1、文章2研究思路应用于lncRNAs的研究，从甲基化和基因组印记角度进一步揭示lncRNAs的差异机制。
该系列研究从2013年启动以来，基迪奥生物长期持续地为合作方提供个性化生物信息服务，有力辅助了该项目持续产出三篇文章。
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研究思路
图1.研究思路
研究结果
| 1.lncRNAs功能分析
1.1 lncRNAs特征
10个样本序列组装过滤后获得5356lncRNAs，平均长度为803 nt。与拟南芥、水稻、等已知lncRNAs相比，蓖麻籽lncRNAs序列保守性极低，但位置保守性较高。16.3% lncRNAs与转座子序列重叠（TE-lncRNAs）。
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1.lncRNAs功能分析
1.1 lncRNAs特征
10个样本序列组装过滤后获得5356lncRNAs，平均长度为803 nt。与拟南芥、水稻、等已知lncRNAs相比，蓖麻籽lncRNAs序列保守性极低，但位置保守性较高。16.3% lncRNAs与转座子序列重叠（TE-lncRNAs）。
1.2 lncRNAs与PCgenes关联
胚、胚乳组织中，lncRNAs的表达量显著低于PCgenes的表达量。作者鉴定了顺式（500 bp < 距离 < 5kb）和反式（距离 > 5 kb）lncRNAs与PCgenes、PCgenes启动子的pair（图2c），相关性分析呈现了较强的正相关（图2d、2e）。
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图2 lncRNAs与PCgenes pair数目和相关性
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图3 胚、胚乳中转录本（lncRNAs和PCgenes）共表达分析
a.转录本基因表达量热图 b.WGCNA分析的层次聚类树 c. 模块与组织特征的相关性
e.darkorange模块的部分网络图，蓝色与绿色分别表示lncRNAs和PCgenes
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1.3 胚、胚乳转录本表达量差异
相对于PCgenes，lncRNAs的组织特异性更高（图3a），暗示胚、胚乳的发育差异源于转录本的表达量差异，尤其是lncRNAs。权重基因共表达网络分析（WGCNA）获得13个模块（图3b），其中2个模块（图3c）与胚和胚乳的关联最显著：
1）模块darkorange含在胚中高表达的转录本，主要为核糖体合成组装，RNA剪切、转运、降解等代谢，4种核心lncRNAs（图3e）关联的PCgenes与调控胚发育的转录因子相关；
2）模块orange含在胚乳中高表达的转录本，主要为碳、氮、氨基酸、黄铜合成等代谢，核心lncRNAs关联的PCgenes与糖酵解相关。
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2.DNA甲基化对lncRNAs的调控
除了从lncRNAs功能角度分析样本差异，作者还从lncRNAs被调控的角度更深入揭示上游DNA甲基化对样本差异的影响。
胚乳中lncRNAs与PCgenes的 CG和CHG甲基化水平都低于胚，但胚乳和胚中CHH甲基化水平相近（图4a）。比较lncRNAs及其上下游2kb区域内甲基化水平与表达量的关系，作者发现lncRNAs表达量与三种甲基化水平都呈负相关（图4b）。同时，胚体外实验证明，去甲基化处理后84.4%的lncRNAs表达量上调（图4c）。
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图4 a.胚、胚乳中转录本（lncRNAs和PCgenes）甲基化水平分析（En, 胚乳；Em，胚）
b. lncRNAs表达量与甲基化水平对比 c.胚体外甲基化实验lncRNAs表达量
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图5 不同杂交系胚乳中等位lncRNAs的表达量
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3.lncRNAs的遗传模式
除了被DNA甲基化影响，作者认为lncRNAs的表达也有自己的遗传模式，如基因组剂量效应、亲源效应等。
3.1 基因组数量与来源对lncRNAs的影响
基于SNPs分子标记统计不同亲本来源lncRNAs表达量，结果显示，胚乳中，部分符合预期母本与父本2：1的比例（因为胚乳为3倍体，含母本基因组2份，父本1份）（图5a），暗示基因组剂量效应对lncRNAs表达量有影响。对于小部分的偏差，作者补充了亲源效应分析（图5b），发现当亲本中lncRNA表达量差异很大时，就会影响子代中母本与父本来源lncRNAs表达量的比例。
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3.2 印记lncRNAs的鉴定与聚类
研究获得20个母本印记lncRNAs，以及新的56个亲本印记PCgenes。4种 lncRNAs验证实验显示，
3个符合预期的母本印记，1个表现出不完全印记（图6）。
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图6 印记lncRNAs的表达量验证
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小结
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作者充分利用前两篇文章中甲基化与基因组印记的成果和经验，在此篇文章中结合lncRNAs数据进行了全面系统的差异分析，使生物学问题的研究更加充分深入，获得主要成果如下：
1. 从lncRNAs丰度和功能角度初步揭示了造成胚、胚乳差异发育的原因；
2. 从DNA甲基化水平初步揭示了lncRNAs差异表达的原因；
3. 从基因组剂量效应、亲源效应、基因组印记方面揭示了lncRNAs的遗传模式。
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参考文献
Xu W, Yang T, Wang B, et al. Differentialexpression networks and inheritance patterns of long non‐coding RNA s in castorbean seeds[J]. The Plant Journal, 2018.
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