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《华中农业大学》 2016年
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水稻干旱响应中表观调控以及OsbZIP23介导的转录调控的研究

宗伟  
【摘要】:随着全球气候的变化,淡水资源的缺乏以及人口的增加,干旱已经成为世界范围内制约水稻产量的最主要的因素之一。面对干旱胁迫,植物通常会通过脱落酸(ABA)依赖和ABA不依赖的信号转导途径影响上千个胁迫相关基因的表达。已有研究表明组蛋白修饰能够影响基因的表达,但是在作物中全基因组范围内鉴定胁迫相关的组蛋白修饰谱还不清楚。OsbZIP23转录因子是一个已经报道在水稻抗旱中发挥重要作用的基因,但是OsbZIP23具体的作用机制仍不清楚。本研究对水稻干旱胁迫条件下的染色质调控以及OsbZIP23介导的转录调控进行了深入分析。我们运用染色质免疫共沉淀结合高通量测序(ChIP-Seq)并结合RNA测序(RNA-Seq)的方法在全基因组范围内检测了正常条件(CK)和处于中度干旱胁迫(D1)的水稻“中花 11”(ZH11,Oryza sativa L.ssp japonica)中受H3K4me3 甲基化修饰的基因以及基因的表达水平。我们在两个样品中检测到51.1%和48%的注释基因带有H3K4me3修饰。为了研究干旱胁迫前后H3K4me3甲基化修饰水平的变化,我们根据H3K4me3甲基化修饰在基因上的分布特点,将每个基因的甲基化修饰水平进行了量化处理。最终我们检测到4837个H3K4me3修饰水平显著变化(H3K4me3 differentially modified,DH3M)的基因,其中3927个基因的H3K4me3修饰水平在干旱胁迫后增加,910个基因的修饰水平下降。通过RNA-Seq,我们检测到5866个在干旱胁迫前后显著差异表达的基因(Differentially expressed genes,DEGs),其中2145个基因受干旱诱导表达,3721个基因在干旱处理后显著下降表达。将DH3M基因和DEGs结合分析后,我们发现有1929(40%of DH3M genes)DH3M基因能够被RNA-Seq检测到,而只有609(13%of DH3M genes)个基因在干旱胁迫前后差异表达。进一步分析发现,H3K4me3甲基化修饰水平和基因的差异表达趋势呈现一个明显的正相关。通过对差异修饰和差异表达基因的本底表达进行分类分析后,我们发现本底表达低的基因其H3K4me3修饰水平和表达水平主要表现为上升的趋势,而本底表达高的基因其H3K4me3修饰水平和表达水平则主要呈现出一个下降的趋势。运用ChIP-Seq的方法,在正常条件(ZH11N)和处于中度干旱胁迫(ZH11D)的野生型水稻“中花11”以及正常条件下OsbZIP23超量表达植株(OX-OsbZIP23N)中分别检测到了681,2128和7194个基因能够被OsbZIP23结合。进一步分析三个样品之间共有的基因,鉴定出1471个OsbZIP23在干旱胁迫条件下结合的基因(OsbZIP23 binding genes involved in drought stress,OsbZIP23BGDs)。从OsbZIP23BGDs中鉴定出152个功能已知的基因以及115个转录因子。根据已知功能的基因发现OsbZIP23主要影响了非生物逆境、生物逆境、植物激素合成以及信号转导和一些发育相关的生物学过程。在OsbZIP23结合的基因中,我们发现OsbZIP23能够直接结合到OsPP2C49的启动子上且正调控OsPP2C49的表达量。在水稻中超量表达OsPP2C49能够增强植株对ABA的不敏感性并且表现出快速失水的表型。此外,OsbZIP23也能直接结合到ABA合成途径限速酶OsNCED4的启动子上继而调控水稻中ABA的含量。我们还对OsbZIP23的转录激活活性进行了分析,一个SnRK2类的蛋白激酶(SAPK2)能够与OsbZIP23互作并且磷酸化OsbZIP23,从而激活OsbZIP23,增强其转录激活活性。SAPK2还能够与OsPP2C49互作,OsPP2C49能够通过SAPK2抑制OsbZIP23的转录激活活性。我们发现了一个包含四个脱水素基因的基因簇能够被OsbZIP23直接结合并且在干旱胁迫之后这四个基因的H3K4me3修饰水平显著增强。进一步的实验表明这四个基因的组蛋白H3乙酰化和H4乙酰化的修饰水平以及RNA聚合酶Ⅱ的结合程度在干旱胁迫之后明显增强,而H3K4me2和H3K27me3的甲基化修饰水平以及组蛋白H3的结合程度则明显下降。H3K4me3甲基转移酶,SDG723和H3K4me3去甲基转移酶,JMJ703均能够影响这四个基因的表达水平。此外,我们还发现OsbZIP23能够影响这四个基因的组蛋白修饰水平。
【学位授予单位】:华中农业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:S511

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