DNA甲基化和组蛋白乙酰化对高山离子芥抗冻性的调控机制研究

Under environmental stress, plant genome adopts complex changes in DNA methylation and histone acetylation as a mechanism of adaption to the stress. As a prototypic periglacial plant，Chorispora bungeana Fisch&C.A.Mey is of great capability on anti-freezing. It is an ideal material on research how plants adapt to low temperature, chilling and freezing environment. Our project aims to discuss the antifreeze mechanism in Chorispora bungeana from new view of epigenetics. The DNA methylation states and alterations under cold stress will be examined by MSAP (methylation sensitive amplification polymorphism) and biostatistics. We will identify candidate genes and pathways regulated by DNA methylation through bioinformatics methods. Combined with protein two-dimensional electrophoresis (2-DE) data, we expect to find genes that are regulated by DNA methylation and also respond to cold stress. The changes on the histone acetylation pattern, the situation of nucleosome integrating and the changes of cytocine methylation at the promoter and first exon regions of the target genes under cold stress will be analyzed by ChIP (chromatin immunoprecipitation) and bisulfite genomic sequencing. This project aims to find the regulation of epigenetic changes under cold stress in periglacial plants. It provides a new view on molecular mechanism of anti-freezing actions in periglacial plants, and provides theoretical support on crop anti-freezing strategy.

环境压力下，植物基因组会产生复杂的DNA甲基化和组蛋白乙酰化变化，这是一种适应性调节机制。高山离子芥作为典型的高山冰缘植物, 具有很强的抗寒能力, 是研究植物耐受冷冻环境机制的理想材料。本项目首次从表观遗传学的角度探讨以高山离子芥为代表的高山冰缘植物所特有的抗冻机制。采用MSAP甲基化敏感扩增多态性技术和生物统计学，分析冷冻胁迫下DNA甲基化修饰模式的变化和规律；利用生物信息学对DNA甲基化调控的基因以及参与的通路进行整理；结合蛋白质差异表达筛选高山离子芥在低温胁迫下受DNA甲基化调控的冷响应基因；利用ChIP技术和重亚硫酸盐测序分析在冷冻胁迫下靶基因启动子和第一外显子区的组蛋白乙酰化、核小体结合和胞嘧啶甲基化变化情况。本项目旨在发现冰缘植物在低温环境下的表观遗传修饰调控规律，为揭示高山冰缘植物特有的抗冻分子机制提供新的视角，为制定新的农作物抗冻策略提供理论支撑。

当植物处在环境压力下，基因组会产生复杂的DNA甲基化和组蛋白修饰变化，这是一种适应性调节机制。本项目以高山离子芥为材料, 从表观遗传学的角度来发现和解释高山冰缘植物所特有的抗冻机制。结果显示:（1）4℃和-4℃胁迫下高山离子芥DNA甲基化变化模式有明显差异；（2）对筛选到的三个基因CbUGT, CbADH1和CbPGIP进行了ChIP分析和表达量验证，与MSAP分析结果一致；（3）克隆了CbADH1的全长和上游4k的序列，并用ChIP-qPCR和重亚硫酸盐测序对组蛋白修饰和DNA甲基化的结合区域分析，发现了在冷冻胁迫下结合水平的变化；（4）获得CbADH1拟南芥转基因株系，以及回补atadh1突变体株系，进行生理测定，结果显示，CbADH1可以修复AtADH1缺失的表型。以及转基因植株在DNA甲基化和组蛋白去乙酰化抑制剂处理下，电导率水平的变化; (5)对拟南芥adh1突变体在冷冻胁迫下的代谢组变化进行了分析，深入探索ADH1抗冻机制; (6)高山离子芥DNA甲基转移酶DRM2对ADH1的表达调控机制进行了初步的研究。本项目研究结果提示，CbADH1是一类冷响应基因，并且受到表观遗传修饰的调控。DNA甲基化和组蛋白修饰作为经典的表观遗传修饰类型，在高山冰缘植物进化的生活适应性中，具有重要的调控作用。