表观遗传修饰调控拟南芥离体芽再生的分子基础研究

De novo shoot organogenesis relies on somatic cell totipotency in plants (i.e. the capacity to regenerate in vitro the entire plant from single somatic cells), and it is the most common pathway leading to in vitro plant regeneration. It is also an excellent experimental system to answer fundamental biological questions such as stem cell initiation, cell fate determination, and hormone signaling. Epigenetic modifications play critical roles in mediating shoot regeneration, but a little is known on how epigenetic modifications function during shoot regeneration. Our previous studies showed that mutation in Arabidopsis genes encoding symmetric arginine dimethyltransferases (AtPRMT4, AtPRMT5, AtPRMT10) resulted in reduced developmental rates of de novo shoot regeneration. In this study, we will focus on the mechanism of epigenetic modifications mediating de novo shoot organogenesis by auxin and cytokinin synthesis, transport, perception, and signaling as well as the master regulator of stem cell fate determination. The results will extend the view on somatic cell totipotency and shed new light for understanding mechanisms of organogenesis in planta.

人们很早就发现植物细胞具有全能性的现象，植物离体芽的再生是植物细胞全能性的一种重要表现。然而迄今为止，对于离体芽再生的分子机制了解甚少。前期工作通过离体芽再生体系筛选出多个表观遗传修饰相关突变体，其中组蛋白精氨酸甲基转移酶atprmt4、atprmt5、atprmt10突变体离体芽的再生速率明显下降，特别是atprmt5离体芽的再生速率受到严重抑制。本项目将在前期工作的基础上，研究离体芽再生过程中AtPRMT5调节的下游基因，特别是生长素和细胞分裂素代谢和信号转导以及干细胞特征决定的关键基因，进而构建基因调控网络。研究工作将有助于揭示植物细胞全能性和器官再生的分子机制，同时，为理解植株上器官发生的分子机理提供重要信息。

精氨酸甲基转移酶负责甲基化组蛋白和RNA加工因子，在植物的生长发育中起着重要的调控作用，参与植物的开花调控、植物的抗逆以及茎端分生组织的维持等。然而，其在器官再生过程的作用至今未见报道。为此，我们利用芽再生体系筛选组蛋白精氨酸甲基转移酶突变体，发现精氨酸甲基转移酶AtPRMT5突变后，芽的再生频率降低，再生速率减慢，每块愈伤组织长出的芽数也明显少于野生型。在芽再生过程中，通过定量PCR技术分析发现，细胞周期抑制因子基因KRP1在atprmt5突变体中的表达水平升高。通过染色质免疫共沉淀技术分析发现KRP1基因的表达受ATPRMT5介导的组蛋白H4R3修饰水平的调控。而过表达KRP1会抑制芽的再生，说明AtPRMT5通过组蛋白修饰H4R3调控KRP1基因的转录，进而调控芽的再生。此外，AtPRMT5通过甲基化RNA加工因子参与KRP1的上游直接调控因子RKP的调控。之前研究发现RKP是一个E3连接酶，可降解KRP1蛋白。RKP突变抑制芽的再生。在atprmt5突变体中，RKP的第5个内含子剪接异常，蛋白发生移码，从而无法降解KRP1蛋白。以上研究结果表明，组蛋白精氨酸甲基转移酶AtPRMT5可通过组蛋白修饰和RNA剪接影响KRP1的转录和蛋白水平来调控芽的再生。