DNA甲基化调控C4基因细胞特异性表达机理研究

C4 photosynthesis is evolved on the basis of C3 photosynthesis. Engineering C3 crops to be "C4 crop" is a potential strategy to increase the yield of C3 crops. The deep understandings of the differentiation of gene expressions of mesophyll cells/bundle sheath cells between C3 plants and C4 plants are helpful for the "C4 crop" engineering. The previous results suggested that DNA methylation may be one of the mechanisms of C4 gene expression regulation. In this proposal, the technologies of Laser Capture Microdissection (LCM) and Next Generation Sequencing (NGS) will be used to analysis the differentiation of DNA methylation sites in mesophyll cells/bundle sheath cells between C3-C4 photosynthesis and C4 photosynthesis, and different development stages of C4 photosynthesis in Eleocharis baldwinii. The research will dissect the mechanisms that DNA methylation involve in the regulation of photosynthesis model conversion and development of photosynthetic apparatus at the whole genome level in Eleocharis baldwinii and provide a theoretical basis for C4 crop engineering.

C4光合作用是在C3光合作用的基础上演化而来。改造C3作物成为“C4作物”是提高C3作物产量的潜在策略。深入了解C3植物和C4植物的叶肉细胞和维管束鞘细胞的基因表达差异有助于C4作物改造。前期研究结果表明DNA甲基化可能是C4基因表达调控的机理之一。本研究拟采用显微切割和第二代测序技术分析大莎草叶肉细胞和维管束鞘细胞在C3-C4和C4两种不同光合作用模式以及C4结构发育的不同时期中DNA甲基化水平。研究结果将在全基因组水平解析DNA甲基化在大莎草光合作用转换和光合结构发育过程中的调控机理以及为C4作物改良提供理论基础。

光合作用模式受不同生长环境变化的特性使得大莎草成为研究C4光合作用的良好材料，特别是在研究C4植物的叶片结构发育、调控和激素调控。前期研究结果表明DNA甲基化可能是C4基因表达调控的机理之一。本研究利用二代测序技术分别对大莎草进行基因组测序与细胞特异性甲基化测序，研究结果解释了甲基化在C4光合作用调控与维持过程中的作用。同时利用转录组测序对水生条件下NaCl和PEG诱导处理样品进行分析，解释非生物逆境在C4光合作用调控过程中的机制。项目组利用基因编辑技术对水稻碳酸酐酶1不同转录本进行突变，同时利用原核蛋白表达技术表达C端蛋白进行抗体制备，实验结果为后续深入解释碳酸酐酶参与光合作用与二氧化碳调控积累遗传与分子材料。