复苏植物牛耳草干旱胁迫记忆基因的表观调控

Stress memory is an essential feature of plant plasticity and intelligent behavior for environmental adaptation. It is an old topic but has received new concerns on how to prime acclimated defense state during previous stress and how to maintain or inherit the memory to allow the plants to respond to reiterated stresses. Epigenetic regulation such as chromatin modification and DNA methylation have been shown to play key roles in stress memory. However, little is known on the contribution and mechanisms of epigenetic regulation of memory genes in stress-tolerant plants that are able to adapt to the harsh habitats. Here we propose a systematic study on the changes of expression patterns of memory genes, the possible epigenetic regulation on the memory gene expression during memory priming and maintaining, and the effects of these epigenetic regulation on the response to environmental factors in the dehydration-tolerant, so-called “resurrection plant” B. hygrometrica. Our results will increase our knowledge on the epigenetic control of dehydration tolerance and stress adaptation in B. hygrometrica, and will benefit to the development new ideas and techniques for improving plant drought tolerance.

胁迫记忆是植物对环境适应的可塑性和智能性行为的主要基础之一，是国内外研究热点，但尚缺乏针对“胁迫记忆”在抗逆物种环境适应中的作用和机制的探讨。本项目根据前期研究结果，拟以复苏植物牛耳草干旱锻炼引发的记忆形成、维持和消除为实验体系，着重开展以下研究：1）干旱胁迫记忆基因的种类和模式变化；2）DNA甲基化和组蛋白甲基化修饰关键因子在记忆基因表达的引发、维持和消除中的调控机制；（3）记忆基因表达的表观调控对牛耳草适应自然生境中胁迫因子的影响。拟采用转录组、全基因组DNA甲基化测序和ChIP-seq等高通量测序技术，借助拟南芥突变体资源，揭示牛耳草干旱记忆基因的种类、功能及其DNA甲基化和组蛋白修饰调控的机制。旨在解决牛耳草这类具有强抗旱性的特殊生境植物如何通过表观修饰引发和维持胁迫记忆从而提高其环境适应能力这一重要科学问题，为作物抗旱育种和栽培技术更新提供新的理论。

胁迫记忆是植物对环境适应的可塑性和智能性行为的主要基础之一，是国内外研究热点，但尚缺乏针对“胁迫记忆”在抗逆物种环境适应中的作用和机制的探讨。本项目以复苏植物牛耳草干旱锻炼引发的记忆形成、维持和消除为实验体系，通过转录组数测序获得大量参与细植物细胞分裂素和磷脂生物合成、碳和氮代谢以及表皮形态发生等过程的干旱记忆基因，其中大部分干旱基因的干旱锻炼诱导。全基因组DNA甲基化测序结果显示，牛耳草叶片基因组中CG、CHG和CHH位点的甲基化水平在脱水胁迫后降低，而CHH位点的甲基化水平在干旱锻炼后升高，与甲基化途径相关基因的转录变化一致。转录组和DNA甲基化数据联合分析表明，不同生长状态的牛耳草叶片中全基因组DNA启动子和基因体甲基化水平与基因表达水平呈负相关关系，而样品间DNA甲基化水平的差异与基因表达差异无相关性。尽管如此，启动子CG和CHG位点的甲基化变化可能参与DNA构象、RNA剪接、蛋白质翻译和翻译后修饰等基础遗传信息加工过程相关基因，以及pre-mRNA-splicing factor 38A、vacuolar amino acid transporter 1-like和 UDP-sugar pyrophosphorylase等牛耳草耐脱水性相关干旱记忆基因在干旱锻炼、生长和快速干旱胁迫过程中的转录调控。此外，我们还为克服从完全脱水的植物组织中制备ChIP-seq样本的困难提供了解决方案，探索了H3K4me3修饰在干旱适应过程中的动力学，以及H3K4me3修饰基因在干旱记忆形成、维持和丧失过程中的表达。综上，我们的发现证明了DNA甲基化和组蛋白修饰在脱水胁迫记忆中的潜在意义，为干旱驯化诱导的植物脱水耐受性增强提供了分子基础。