DNA去甲基化酶ROS1调控玉米籽粒发育的分子机制

DNA methylation is one of the most important epigenetic modifications. DNA demethylation mediated by DNA glycosylase ROS1 regulates DNA methylation level and affects many biological processes. However, the function of ROS1 in maize kernel development and the underlying mechanisms are poorly understood. The maize genome encodes four ROS1 homologs, named as ZmROS1a/b/c/d. ZmROS1a is the mainly expressed gene in embryo and ZmROS1b is the mainly expressed gene in endosperm. Single mutants of both genes have been obtained. Kernel size and embryo size are reduced in zmros1a mutant. Here, we will study the biological function of both genes in maize via histological and cytological analysis using the single, double mutants and wild type. We will also identify and characterize ROS1 targets in maize kernels through DNA methylation and transcriptomic analysis to study the conservation and divergent regulatory network of the two genes. Finally we will conduct QTL co-localization analysis and candidate gene association analysis to identify the favorable alleles of their targets for high-yield maize breeding. Our proposal will not only enhance our understanding of the molecular mechanisms of ZmROS1a/b mediated kernel development, but also provide favorable alleles and molecular markers for maize high-yield breeding.

DNA甲基化是一种重要的表观遗传修饰，糖苷酶ROS1介导的DNA去甲基化过程调控DNA甲基化水平并影响多种生物学表型，但ROS1在玉米籽粒发育中的功能及其分子机制并不清楚。本项目前期克隆了玉米中ROS1的四个同源基因ZmROS1a/b/c/d，发现ZmROS1a/b分别是胚和胚乳中的主要表达基因，获得了这两个基因的突变体，发现zmros1a突变体籽粒和胚变小。在此基础之上，本项目拟以单、双突变体和对应野生型为材料，通过组织和细胞学分析研究ZmROS1a/b对胚和胚乳发育的影响；通过DNA甲基化和基因表达分析鉴定ZmROS1a/b在籽粒中的靶标，建立和比较两个基因独特以及共有的调控网络；通过QTL共定位和候选基因关联分析鉴定ZmROS1a/b靶标的自然变异，挖掘优良等位基因。综合以上分析，解析ZmROS1a/b调控籽粒发育的生物学功能及其分子机制，为玉米产量分子育种提供理论指导和基因资源。

DNA甲基化是一种重要的表观遗传修饰，DNA去甲基化酶ROS1介导的DNA去甲基化过程具有多个不同的生物学功能，但是其在玉米中的生物学功能尚不清楚。本项目研究了玉米DNA去甲基化酶编码基因在玉米籽粒发育过程中的生物学功能，并阐明了其调控机制。我们分析了在胚（ZmROS1a）和胚乳（ZmROS1b）中分别高表达的两个基因，发现这个两个基因的双突变体株高和穗位高降低，果穗变小，百粒重降低。利用全基因组亚硫酸氢盐测序，发现与野生型相比，突变体在全基因组水平上的DNA甲基化水平无剧烈变化，但是，基因及转座子附近DNA甲基化水平升高。DNA甲基化水平的升高伴随基因下调表达，尤其是，胚乳中特异高表达基因的下调表达趋势更明显。我们发现突变体作为母本与野生型杂交时，F1杂种中印记基因的表达发生显著变化，突变体作为父本时则不具有这种变化。印记基因表达水平的变化伴随等位基因DNA甲基化水平的变化，表明母本等位基因DNA甲基化的去除对于印记基因的表达至关重要。我们发现突变体中DNA甲基化水平的的升高与转录因子结合能力的降低，以及基因表达水平的降低相关。此外，我们发现DNA去甲基化酶作用位点与产量QTL存在共定位，为利用这些位点奠定了基础。