水稻全基因组启动子序列分离及其组蛋白修饰特征分析

Promoters are the essential elements for regulating gene expression. Genome-wide identification of plant promoters and analysis of their structures and functions will not only provide important reference values to elaborate basic theories related to regulating gene expression, but also provide theoretical basis for promoter selection and artificial modification in plant genetic engineering. The research proposed herein first aims to identify genome-wide constitutive , bi-directional and tissue specific promoters in rice seedlings, young roots, young panicles and callus tissues using DNase-seq combined with mRNA-seq approach. It comprehensively analyzes hidden connections between structures and functions of promoters. Combined with ChIP-seq datasets associated with different histone modifications, it then investigates relationships between features of histone modifications surrounding promoters and gene expressions. Finally, this research performs transgenic verifications using parts of three types of promoters, which apparently contain DNaseI footprints. The success of this project will help us understand the relationships between DNA sequences as well as histone modifications and highly efficient or specific gene expression. It will deepen our understanding of the mechanism regulating gene expression at promoter levels. It will also be beneficial to the selection and application of specific promoters in rice genetic engineering and molecular breeding.

启动子是基因表达调控的必要元件。植物启动子在全基因组水平的鉴定及其结构与功能分析，不仅对阐述与基因表达调控相关的基本理论问题具有重要的参考价值，而且为植物基因工程中启动子的选择与人工改造提供理论依据。本项目首先运用DNase-seq同时结合mRNA-seq, 在全基因组水平上鉴定水稻幼苗、幼根、幼穗及愈伤等四种组织的组成型、双向及组织特异性启动子，全面分析其结构与功能的内在联系；其次，结合组蛋白修饰的ChIP-seq数据，探讨启动子周围核小体的组蛋白修饰特征与基因表达的关系；最后，选取部分具有DNaseI印迹的各类启动子进行转基因验证。预期研究成果将有助于我们了解启动子的DNA序列结构及组蛋白修饰与基因高效或特异表达的关系，深化人们在启动子水平对基因表达调控的机制的认识。同时，也有利于水稻转基因工程与分子育种中对特异启动子的选择与利用。

真核生物基因组中，组成型和组织特异型基因表达受多种因素调控，但相关机理性研究目前还不够深入。本项目拟从基因表达的关键调控元件-启动子角度来解析两种基因表达的遗传学以及表观分子结构基础。本项目以水稻幼苗、幼根、愈伤及幼穗等组织为研究对象，运用RNA-seq, ChIP-seq和DNase-seq三种表观基因组学手段，通过鉴定组成型和四种组织特异型表达基因，同时结合DH位点来确定其启动子区。然后，在全基因组水平对三组表观基因组学数据进行了综合分析。结果表明，在TSS上游1kb内只有一个DH位点的基因中，高表达基因的启动子区主要含有C(G/T/A)CC(G/A)CCGCC基序，而低表达基因则主要含有AAAAAAAA基序。相比之下， 在TSS上游1kb以内有两个DH位点的基因中，高表达基因的启动子区主要含有TTTTTT基序，而低表达基因的启动子区则主要含有GGCGCGG基序。另外，AAAAAA(G/A)AAA基序主要在幼苗和愈伤中特异表达基因的启动子区，而幼穗和幼根中特异表达基因的启动子区分别有TT(T/C)TTTTTTT和AAAAAAAAG基序。并且上述每种基序均存在明显的DNaseI印迹，从而证明相应基序均存在的可能性。另一方面，组蛋白修饰分析结果表明，组织特异型基因中，同一组蛋白修饰在不同表达水平的基因间存在明显差异，组蛋白修饰在高表达基因启动子区的100bp区域有明显富集，但富集于低表达基因启动子区的200bp区域。相比之下，在组成型基因中，同一种组蛋白修饰分别富集于高表达基因启动子区的350bp区域和低表达基因启动子区的250bp区域。总之，本项目的实施有助于揭示启动子高效或组织差异表达与其遗传学结构特征及组蛋白修饰等表观特征存在一定的内在关系，从而深化人们在启动子水平对基因表达调控的机制的认识。最后，通过原生质体瞬时转化以及根和花活体转化，验证了部分具有功能的组成型启动子、各种组织特异型启动子和双向启动子。这将为植物基因工程提供了丰富的候选启动子元件，另一方面，将为植物人工启动子构建与应用提供理论依据，从而有利于农作物新品种的培育。