组蛋白甲基化和DNA甲基化参与复苏植物旋蒴苣苔抗逆的机制初探

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目前,在DNA与染色质水平上对植物抗逆的调控越来越受到关注。大量的研究表明表观遗传修饰,特别是组蛋白修饰和DNA甲基化,参与调控了多种植物抗逆基因的表达,并可能参与了植物对外界环境的“记忆”。复苏植物旋蒴苣苔多生长在以干旱和高碱著称的喀斯特地区石灰质岩石上,既可以耐受碱性环境,也可忍耐极度脱水、在水分适宜时迅速恢复生长。本文以旋蒴苣苔为研究对象,对组蛋白修饰和DNA甲基化在植物抗逆中的调控作用做初步探究。本研究分为两个部分:  第一部分研究了组蛋白修饰是否参与旋蒴苣苔干旱诱导基因的表达调控。首先从前期克隆的4个受干旱诱导且可提高植物抗旱性的基因(BhLEA1、BhLEA2、BhHsf1和BhGolS1)入手,鉴定了H3K4me3、H3K9ac、H3K18ac和H3K23ac修饰与这些基因表达的关系。结果表明H3K4me3修饰水平与干旱激活基因表达相关,其它几种乙酰化修饰水平与干旱激活基因表达无明显相关性。其次,从旋蒴苣苔脱水叶片转录组数据库中选择更多干旱诱导基因,对它们在干旱下的表达水平和组蛋白修饰水平进行研究。结果表明,这些基因的表达水平和H3K4me3修饰水平都受到了干旱的诱导,且变化比较同步,因此进一步确定H3K4me3参与了干旱对基因表达的激活。最后,利用H3K4me3抗体,对旋蒴苣苔新鲜和干旱叶片进行ChIP实验,通过ChIPed-DNA建库、测序得到受H3K4me3修饰的序列,对其中部分编码序列进行表达分析。结果表明,其中2/3的序列受干旱诱导,进一步证明了H3K4me3修饰和干旱诱导基因的表达调控之间的相关性。此外,研究发现受H3K4me3修饰的旋蒴苣苔干旱诱导基因BhGolS1转入拟南芥后H3K4me3调控模式发生改变,表明旋蒴苣苔和拟南芥中干旱诱导基因的表观调控机制可能存在不同。  第二部分利用旋蒴苣苔的一个逆转录转座子片段S21来研究DNA甲基化与植物抗逆性的关系,前期的研究证明S21具有提高植物抗旱耐碱性的功能。在S21序列中预测到两个启动子位点、两个CpG岛位点和一段编码4个转座相关蛋白的长开放读码框。用甲基化敏感的限制性内切酶酶切后进行PCR扩增表明,在碱胁迫和PEG胁迫下,S21中部分CCGG位点的甲基化水平降低,相应序列的转录本也增加,表明其DNA甲基化水平的降低可能有利于S21在碱胁迫和PEG胁迫下的转录激活。用S21上的特异性引物在其它苦苣苔科植物中扩增和测序结果表明,S21同源逆转座子片段也存在于这些苦苣苔科植物中,且具有较高的保守性。其中参与调控旋蒴苣苔S21转录活性的CCGG位点最为保守,暗示了DNA甲基化可能是其它苦苣苔科植物中调控S21同源逆转座子活性的共同机制。
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