拟南芥组蛋白H3K4去甲基化酶JMJ17在干旱胁迫和脱落酸应答途径中的功能研究

论文摘要

气候变化正在加剧全球干旱,严重威胁着粮食安全。由于植物是着地固定生长,不能主动逃避环境危害,为了生存植物进化出复杂且精细的调控机制来减少干旱危害。因此解析植物的抗旱分子机制对于培育新的抗旱品种有重要的指导意义。组蛋白的修饰是生物表观遗传调控的一种重要方式,组蛋白的修饰改变了染色质的构型,进而影响基因转录。本研究发现拟南芥中的一个组蛋白H3第4位赖氨酸（H3K4）去甲基化酶,JMJ17,在干旱胁迫和脱落酸（ABA）应答途径中行使重要功能。本研究分析了组蛋白的去甲基化在干旱胁迫和ABA应答中的作用,阐明了H3K4去甲基化酶JMJ17调控干旱胁迫和ABA应答的分子机制。本研究利用分子生物学、生物化学和生物信息分析等方法,系统地分析了组蛋白去甲基化酶JMJ17在干旱胁迫和ABA应答过程中的调控作用。主要的研究结果如下:（1）利用亚细胞定位和时空特异性表达分析,发现JMJ17定位于细胞核,并在拟南芥的根、胚轴、花等部位均有表达。（2）与野生型相比,jmj17突变体表现出抗旱表型和对ABA敏感表型。（3）利用体内、体外酶活实验,我们发现JMJ17有组蛋白去甲基化酶的活性,能够有效地降低H3K4me1/2/3水平。同时发现,JmjC中与亚铁离子结合的保守氨基酸对JMJ17的去甲基化酶活性是必需的。保守氨基酸位点发生突变的回补系材料（JMJ17[H79A/E81A]）,其叶片失水率以及干旱后存活率均与jmj17-1突变体相近,说明JMJ17的去甲基化作用对植物干旱胁迫应答是必需的。（4）jmj17-1单突变体与野生型的表型无显著差异,而jmj17-1 jmj14-1 jmj16-1三突变体表现出更大的莲座叶以及更早的开花表型,说明JMJ17与JMJ14、JMJ16可能在拟南芥生长发育过程中存在着功能冗余。（5）利用ChIP-seq和RNA-seq分析,发现在干旱胁迫后,与野生型相比,jmj17突变体中部分胁迫应答基因的转录水平与H3K4me3水平均显著上升,说明在干旱胁迫下JMJ17能影响H3K4me3水平同时还影响基因的表达。（6）我们构建了jmj17-1 ost1-3双突变体,发现双突变体在干旱胁迫下表型与ost1-3表型一致,结合ChIP-qPCR分析结果,发现在干旱胁迫应答过程中OST1在JMJ17的遗传学下游行使功能。（7）我们构建了jmj17-1 abi5-7双突变体,发现在ABA介导的种子萌发及幼苗生长抑制过程中,双突变体表现出与abi5-7突变体相似的ABA低敏表型,结合ChIP-qPCR的结果表明:在ABA介导的种子萌发及幼苗生长抑制过程中,JMJ17调控ABI5位点的H3K4me3水平进而影响其表达。（8）利用免疫共沉淀、双分子荧光互补等实验,我们证实JMJ17在体内与WRKY40互作;对ABA处理后的材料进行RNA-seq分析,发现与野生型相比,jmj17和wrky40突变体中的差异表达基因有显著的重叠,同时在含有ABA的培养基上,双突变体和各单突变体的种子萌发和幼苗生长表型相近,暗示JMJ17和WRKY40在同一条途径中调控ABA应答。综上所述,本研究结果表明组蛋白去甲基化酶JMJ17,通过调控OST1,ABI5等胁迫应答基因的H3K4me3水平影响这些基因的表达,在干旱胁迫和ABA应答途径中行使负调控作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
•   1.1 干旱造成的危害
•   1.2 脱落酸（ABA）研究进展
•     1.2.1 ABA的生理功能
•     1.2.2 ABA信号转导过程
•     1.2.3 ABA诱导气孔闭合机制
•     1.2.4 ABA调控种子萌发过程
•   1.3 组蛋白修饰
•     1.3.1 “组蛋白密码”假说
•     1.3.2 组蛋白甲基化修饰
•     1.3.3 组蛋白去甲基化修饰
•     1.3.4 组蛋白修饰调控非生物胁迫响应
•   1.4 本研究目的和意义
• 第二章 材料与方法
•   2.1 实验材料
•   2.2 实验方法
•     2.2.1 拟南芥植株培养
•     2.2.2 叶片失水和植株干旱实验
•     2.2.3 浸蘸法转化拟南芥
•     2.2.4 CRISPR方法制备突变体
•     2.2.5 GUS染色
•     2.2.6 气孔导度测定
•     2.2.7 ROS含量测定
•     2.2.8 原生质体转化
•     2.2.9 植物基因组DNA提取
•     2.2.10 植物RNA提取
•     2.2.11 反转录和荧光实时定量PCR
•     2.2.12 质粒大量提取
•     2.2.13 原核蛋白表达及纯化
•     2.2.14 体外酶活实验
•     2.2.15 蛋白质免疫检测
•     2.2.16 染色质免疫共沉淀
•     2.2.17 免疫共沉淀
•     2.2.18 酵母双杂交实验
•     2.2.19 双分子荧光互补实验
•     2.2.20 荧光素酶实验
•     2.2.21 RNA-seq数据分析
•     2.2.22 ChIP-seq数据分析
• 第三章 结果与分析
•   3.1 JMJ17 在干旱胁迫应答中的作用
•     3.1.1 jmj17 突变体呈现抗旱表型
•     3.1.2 JMJ17 过表达对拟南芥抗旱性的影响
•     3.1.3 JMJ17 的时空特异性表达及亚细胞定位
•     3.1.4 JMJ17 的组蛋白H3K4 去甲基化酶活性
•     3.1.5 JMJ17 对干旱应答调控依赖去甲基化酶活性
•     3.1.6 JMJ14、JMJ16和JMJ17 功能冗余
•     3.1.7 干旱胁迫下JMJ17对H3K4me3 和转录调控的影响
•     3.1.8 JMJ17 调控OST1的H3K4me3 水平与表达
•     3.1.9 OST1在JMJ17 下游应答干旱胁迫
•   3.2 JMJ17在ABA介导的种子萌发及幼苗生长中的功能
•     3.2.1 jmj17 突变体对ABA更敏感
•     3.2.2 JMJ17对ABA应答调控依赖去甲基化酶活性
•     3.2.3 JMJ17与WRKY40 在体内互作
•     3.2.4 JMJ17与WRKY40 共同调控ABA应答
•     3.2.5 JMJ17 调控ABI5 位点H3K4me3 水平
• 第四章 讨论
• 第五章 结论
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 在学期间公开发表论文及著作情况

文章来源

类型: 博士论文

作者: 黄双占

导师: 蒋继明,徐正一

关键词: 非生物胁迫,脱落酸,拟南芥,干旱胁迫,组蛋白去甲基化,转录调控

来源: 东北师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 生物学

单位: 东北师范大学

分类号: Q945.78

总页数: 95

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