小麦组蛋白乙酰转移酶基因TaHAT1调控耐热性的分子机制解析

Wheat (Triticum aestivum L.) is the third largest crop in China and the high temperature stress seriously affects its yield and quality, but the underlying mechanisms for heat stress tolerance in wheat is poorly understood. Recently, A total of 6560 probe sets were identified as heat responsive in wheat by using Affymetrix Genechip? Wheat Genome Array. Although epigenetic mechanisms are crucial to transcriptional regulation of gene expression, their involvement in response to heat stress is less clear. In this study, the main objectives are to figure out how histone acetyltransferase TaHAT1 functions in responsibility to heat stress in wheat. Our specific aims are: 1) Obtain the full-length cDNAs of three TaHAT1 homoeologs from wheat leaf and detect the homoeolog-specific expression pattern under heat stress. 2) Figure out the biological function of TaHAT1 with suppressed its expression in wheat. 3) Compare the heat tolerance between transgenic line and wild type. 4) Determine the downstream genes of TaHAT1 by ChIP-Seq. In summary, the expected data will provide some evidence that TaHAT1 might act as an important factor to heat stress in wheat.

小麦是我国第三大粮食作物，高温是目前影响小麦产量和品质的主要限制因素之一，但小麦耐热性的分子机制迄今尚未阐述清楚。最近，我们实验室建立了小麦热胁迫前后的基因差异表达谱，鉴定出6560个差异表达基因，其中一个组蛋白乙酰转移酶相关基因TaHAT1在热胁迫后表达明显上调。在此基础上，本申请课题将以该基因为研究核心，从部分同源基因的克隆、表达模式分析、转基因功能鉴定以及调控的下游候选基因筛选等不同层面上开展研究，以期为阐明小麦耐热性的表观遗传调控机理奠定基础。具体研究目标为：获得普通小麦TaHAT1三个部分同源基因，分析部分同源基因在小麦高温胁迫前后的表达变化，获得小麦RNAi转基因株系，查明转基因植株与受体基因型在表型以及耐热性指标上的差异，筛选出2-3个重要的下游候选基因，初步解析TaHAT1在小麦高温胁迫过程中参与的调控途径。发表论文2-3篇，培养研究生2名。

本项目围绕研究计划和目标，针对小麦中一个响应高温胁迫的组蛋白乙酰转移酶基因HAT1，从部分同源基因的克隆、表达模式分析、转基因功能鉴定以及调控的下游候选基因筛选等不同层面上开展了系列研究并获得如下进展：1）发现TaHAT1三个部分同源基因分别位于小麦1AL，1BS和1DS染色体上，在不同亚基因组中均为单拷贝存在，分别命名为TaHAT1-A，TaHAT1-B和TaHAT1-D。发现高温胁迫后三个部分同源基因均上调表达，说明来自A、B、D不同亚基因组的的三个拷贝对热胁迫均有响应，其中来自D基因组的拷贝TaHAT1-D表达量最高；2）构建了TaHAT1基因的超表达和RNAi载体，采用农杆菌侵染方法分别转化小麦，对不同转基因株系的转化效果进行了检测，发现与对照株系相比，超表达转基因株系中目标基因TaHAT1上调表达；而在RNAi转基因株系中，TaHAT1基因转录水平明显低于对照株系。耐热性鉴定发现与对照相比，TaHAT1基因的超表达株系耐热性明显增加，而RNAi株系耐热性显著减低；3）小麦TaHAT1基因可以完全恢复拟南芥同源基因突变体gcn5热敏感的表型，对野生型和突变体热胁迫前后转录组分析发现，与野生型相比，gcn5突变体中1224个基因在高温胁迫过程中转录受到抑制，其中包括HsfA2，HsfA3，UVH6，MBF1c等关键热激转录因子或共激活子；4）通过ChIP-PCR进一步验证了GCN5/HAT1蛋白直接结合在HsfA3和UVH6基因启动子区，同时，在野生型中，HsfA3和UVH6基因启动子区H3K9和H3K14的乙酰化水平在热胁迫后明显增加，而在gcn5突变体中其修饰水平受到抑制，说明GCN5通过影响HsfA3和UVH6基因H3K9和H3K14乙酰化修饰水平，进而参与其在高温胁迫过程中的表达调控。上述研究结果为进一步阐释小麦耐热分子机制提供了有价值的信息。项目执行期间，共发表SCI研究论文5篇，申请专利2项，培养博士研究生1名，硕士研究生3名。