玉米染色质重塑蛋白ZmCHB101调控耐旱机制研究

Epigenetic regulatory mechanisms play essential roles in abiotic stress adaption processes. Understanding how epigenetic components participate in drought stress response is crucial for applying this knowledge to the genetic manipulation of crop plants. ATP-dependent chromatin remodeling complexes play essential roles in regulating diverse biological processes by formulating a DNA template that is accessible to the general transcription apparatus. However, how maize ATP-dependent chromatin remodelers involve in response to drought stress remains unclear. In previous work, we successfully generated maize core component of SWI/SNF complex, SWI3(ZmCHB101), RNA interference (RNAi) transgenic plants, and identified that ZmCHB101-RNAi showed sensitive phenotypes compared to wild-type under drought stress. In this study, combining genetic, genomic and cell-based analyses, we sought to investigate the transcriptomic changes governed by ZmCHB101 under drought stress. Moreover, based on the results from transcriptomic analysis, we sought to examine nucleosome occupancy and different histone status of putative direct targets of ZmCHB101, thereby dissecting the molecular mechanisms of how ZmCHB101 plays a role under drought stress.

研究表明，表观遗传调控机制在植物非生物胁迫应答过程中起着重要的作用，并且研究干旱胁迫应答过程的表观遗传调控机制对作物遗传改良具有很大的应用潜力。ATP依赖的染色质重塑复合体可以通过调控DNA与转录调控元件的结合来参与多种生物学过程。然而，玉米染色质重塑因子是如何在分子水平上参与旱干胁迫诱导的基因转录调控尚缺乏研究。在前期工作中，我们成功地制备了玉米SWI/SNF染色质重塑复合体的核心亚基SWI3(ZmCHB101)的RNA干扰材料(RNAi)，并且检测到ZmCHB101-RNAi材料呈现出对干旱胁迫敏感的表型。本课题拟结合遗传学、基因组学和细胞生物学等实验手段，检测旱胁迫响应过程中ZmCHB101调控的下游基因转录组变化，分析干旱条件下ZmCHB101靶基因的核小体定位和组蛋白修饰变化，拟解析ZmCHB101在干旱胁迫响应基因转录调控过程中的分子机制。

表观遗传调控机制在植物非生物胁迫应答过程中起着重要的作用，并且阐明干旱胁迫应答过程的表观遗传调控机制对作物遗传改良具有很大的应用潜力。选择性剪接（AS）普遍存在于高等真核生物中，是产生转录多样性的重要转录后调控机制。AS在植物的生长、发育、信号转导以及对生物和非生物胁迫的响应等不同的生物学过程中发挥着重要作用。ATP依赖的染色质重塑复合体可以通过调控DNA与转录调控元件的结合来参与多种生物学过程。然而，玉米染色质重塑因子是如何在分子水平上参与干旱胁迫诱导的基因转录调控尚缺乏研究。. 在本项目中，我们利用玉米SWI/SNF染色质重塑复合体的核心亚基SWI3(ZmCHB101)的RNA干扰材料(RNAi)，利用遗传学、基因组学和细胞生物学等实验手段，发现ZmCHB101 RNAi玉米表现出对渗透胁迫、盐胁迫和干旱胁迫敏感的表型；转录组测序分析表明，ZmCHB101影响渗透胁迫应答基因的转录；分子生物学实验发现，ZmCHB101控制着胁迫响应基因转录起始位点周围的核小体密度，而ZmCHB101与RNA聚合酶II（RNAPII）在体内互作，ZmCHB101通过去除核小体而促进RNAPII结合在胁迫响应基因的转录起始位点周围从而启动基因表达。此外，在转录组测序中，我们也发现ZmCHB101影响了一部分渗透胁迫响应基因的选择性剪接方式，进一步研究发现ZmCHB101通过影响可变外显子上的核小体密度和组蛋白修饰状态来调控RNAPII介导的转录延伸速率，从而参与了选择性剪接调控过程。值得注意的是，ZmCHB101介导的基因表达调控与选择性剪接调控基本上是不同的基因，表明ZmCHB101具有多种分子功能，参与转录和转录后调控。. 综上所述，本项目首次在玉米中证实SWI3类染色质重塑蛋白通过影响重塑染色质状态而参与基因表达调控，为揭示旱胁迫应答过程的表观遗传分子调控机制奠定了基础。