拟南芥PICKLE蛋白调控基因表达和开花起始的基因组水平和遗传学分析

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对基因表达调控的研究是人们深入理解各种生物学机制和现象的重要途径,而表观遗传学则是基因表达调控的研究热点。拟南芥是植物研究中重要的模式生物,PKL(PICKLE)是拟南芥中主要的染色质重塑因子,它具有典型的CHD3类染色质重塑因子的蛋白质组成形式。pkl突变体具有典型的缺失赤霉素信号的表型,对PKL的深入研究表明它参与开花调控、胚胎发育、侧根形成和心皮的极性发育,同时PKL也在赤霉素、脱落酸、生长素和细胞分裂素等不同植物激素信号通路中起作用。对于PKL的研究虽然涉及到多个方面,但从基因组水平研究PKL如何参与基因表达调控的工作很少。  本文采用RNA测序和染色质免疫共沉淀(chromatin immunoprecipitation,ChIP)测序,研究三个生长发育时期受到PKL调节的下游基因。通过RNA测序,在3天的幼苗中找到了1319个受到PKL影响的下游基因。这些基因主要集中在植物抗逆反应、脂类定位和运输、以及代谢调节这些功能分类中。在10天的幼苗中,1414个基因的表达受到PKL的影响,主要参与脂类定位和代谢、激素信号响应和几丁质响应等途径。在25天的茎尖中,PKL参与调控了1694个基因的表达,这些基因主要参与开花调控、脂类定位、茉莉酸信号响应和植物的损伤修复等途径。PKL广泛参与各种植物抗逆反应信号通路,在幼苗中PKL参与植物抗真菌、抗毒素和水胁迫,在茎尖材料中PKL参与抗冷胁迫、损伤修复和茉莉酸信号通路。通过ChIP测序在3天、10天的幼苗和25天的茎尖中分别找到了260个、623个和49个PKL富集位点,PKL在不同的时期结合了不同的调控位点,表明PKL可能通过这种分子机制参与了不同时期的发育调控。综合分析RNA测序数据和ChIP测序数据,在3天幼苗、10天幼苗和25天茎尖材料中分别找到了13个基因、54个基因和8个基因,它们可能受到PKL的直接结合,并且基因表达量也受到PKL的影响,可能是PKL直接调控的下游靶基因。RNA测序的结果表明,PKL在发育过程中会促进LEAFY(LFY)及LFY所调节的同源异型基因和开花时间相关基因在茎尖中的表达,同时ChIP测序的结果也提示,在10天和25天时PKL能够在某种程度上结合在LFY的编码区。pkl突变体表现出开花延迟的表型。常规和定量RT-PCR都显示,pkl突变体中LFY表达下调。通过35S::LFY-GR在pkl突变体中过量表达LFY,可以某种程度上逆转由于PKL突变导致的开花延迟。这些结果提示,PKL很可能通过某种方式结合并调节LFY的表达,进而参与开花时间的调节。  综上所述,本课题通过RNA测序和ChIP测序的方法,从基因组水平研究拟南芥三个不同发育时期PKL所调节的下游靶基因。发现PKL在不同的生长时期会参与调控不同下游基因的表达,并且在这三个发育时期都存在一些特异的PKL结合位点;找到了一些受到PKL调节的包括开花相关基因(包括LFY基因及其下游调控的基因)在内的下游基因,表明PKL下游基因的多样性可能是造成pkl突变体的表型多样性的主要原因,这一结果能够很好地解释pkl突变体延迟开花的表型;PKL蛋白在开花起始时结合并上调LFY基因、以及通过上调LFY上游基因进而上调LFY可能是PKL调节拟南芥开花时间的重要分子机制。
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