水稻幼穗分化过程基因表达重编程的染色质基础研究

Chromatin modifications are the basis for gene expression reprogramming during plant developmental transitions and adaptation to environmental conditions. In the last years, we have studied the function of a set of rice histone modification.and recognition factors in the regulation of plant development and stress responses. However, it is not clear how the chromatin factors target specific genomic loci to establish, to maintain or to reset gene expression states during plant development. This project intends to study first the relationship between genome-wide dynamic histone modification and gene expression reprogramming during the early stages of panicle developmental process. Then we will study the function and interplay of a set of rice histone methylation and recognition factors in the regulation of histone modification and gene expression reprogramming during the young panicle development. Finally we will study the molecular mechanism by which histone methylation and recognition proteins target to and regulate specific gene expression in the young panicle. This project will help unraveling the chromatin basis of gene expression reprogramming during young panicle development and the epigenetic mechanism of yield formation in rice.

染色质修饰是基因表达在植物发育生长和对环境适应过程中重编程的表观调控基础。我们过去的研究揭示了一组水稻组蛋白修饰与识别因子在水稻发育和逆境应答基因表达中的重要表观调控作用。但是染色质修饰与识别因子在水稻生长发育过程中，在基因组特定位点上建立、维持和重建靶基因的激活或抑制状态的机制还不清楚。本项目拟研究水稻幼穗分化过程中组蛋白修饰的动态变化与基因表达重编程的关系，研究组蛋白修饰与识别因子在水稻幼穗分化过程中调控染色质修饰和基因表达重编程的功能及相互作用关系，研究调控水稻幼穗特异基因表达的激活与抑制状态的表观遗传机理。本项目的研究有助于揭示在水稻幼穗发育过程中基因表达状态的建立和重编程的染色质基础，解析水稻产量形成的表观遗传机制。

本项目重点研究组蛋白修饰酶在水稻顶端分生组织到幼穗发育过程中对基因表达重编程的调控作用，旨在揭示水稻幼穗发育过程中基因表达状态的建立和重编程的染色质基础，从而解析水稻产量形成的表观遗传机制。我们通过对组蛋白H3K27me3的甲基转移酶基因SDG711 RNAi 抑制材料和野生型DJ植株的营养顶端（SAM）、花序顶端（IM）进行转录组测序（RNA-seq）和ChIP-seq测序分析，研究发现相对于SAM，IM中有大量参与生长发育的关键转录因子、激酶和代谢酶的编码基因发生差异表达；同时还发现从SAM到IM以及叶片的转变过程中，很多基因的H3K27me3的修饰发生丢失和增加。揭示了H3K27me3组蛋白甲基转移酶SDG711在SAM到IM以及叶片的转变过程中 基因表达重编程的重要功能。同时，我们也研究了H3K27去甲基化酶JMJ705调控水稻茎顶端发育中的功能。发现JMJ705能被植物特有的同源异型盒转录因子WOX11招募到基因组特定位点，改变靶基因的染色质状态，从而调控水稻茎顶端发育基因表达的重编程过程。此外，我们研究了组蛋白去乙酰化酶SRT1在水稻种子发育中的功能。发现SRT1抑制淀粉合成酶抑制基因RSR1以及部分淀粉分解酶基因启动子上的H3K9乙酰化修饰 和表达，进而调控水稻种子发育过程中淀粉的积累。最后，我们还通过超高效液相-质谱（HPLC-MS/MS）和6mA免疫沉淀测序等技术鉴定和分析了水稻中存在的新型DNA甲基化即N6腺嘌呤甲基化的修饰图谱。以上研究结果我们分别在植物学国际权威期刊如Nature Plants、The Plant Cell、Plant Physiology等发表论文6篇，培养了研究生5名，其中2名硕士和2名博士。本项目的研究成果对于通过基因工程手段改良作物产量性状等方面提供了理论支持和指导意义。