人工表观基因组学修饰增强植物广谱双生病毒抗性

Geminivirus diseases are one of the most important group diseases in agriculture and cost billons dollars annually in China. Developing broad-spectrum resistance to geminivirus has not been reported so far. We showed that epigenetic modifications on histones and DNA by epigenetic effectors are crucial for transcriptional regulation and play important roles for variety of geminivirus processes in plants. In this research, we propose to develop a new strategy by fusion of DNA recognition domain, eg CRISPR-guided structure, and repressive epigenetic modification effectors as function domain. We will construct the fusing vector and transform them into plant by Agrobacterium tumefaciens-mediated transformation method respectively to gain transgenic plant. While different geminiviruses infect the transgenic plants, they can specifically recognize and bind to the targeting sequence of geminiviruses and then enhance epigenetic modification on the minichromosome of geminiviruses, thus interfering the normal replication and transcription of geminiviruses, and ultimately improve the plant resistance to multiple geminiviruses. The results of this project not only provide a good foundation for the development of crop varieties with broad-spectrum and high resistance, but also will provide a new idea for improving plant broad-spectrum resistance to other pathogens. Our results will delineate a strategy for understanding the functional significance of specific epigenomic marks in the context of viral genome loci and enrich us methods to programmable epigenetic manipulate gene expression and biotechnological improvement.

双生病毒病害是我国农业生产中最重要的病害之一，每年造成数百亿元的经济损失。抗病育种是最有效控制此类病害的方法，由于双生病毒种类繁多，病毒高重组率、入侵病毒种类多等等因素，亟待发展作物对双生病毒具有广谱抗性的新策略。我们前期研究表明，表观遗传学修饰对于双生病毒的抗性发挥了十分重要的作用。本项目拟利用CRISPR等技术人工设计特异识别靶序列，融合具有抑制作用的表观遗传学修饰因子作为效应蛋白，经过靶向扫描选择、优化以及对表观遗传学效应子的配选，试图通过人工表观基因组编辑技术，增强植物对双生病毒的DNA甲基化水平和抑制作用的组蛋白修饰水平，以期获得植物对双生病毒广谱且稳定的抗性能力。本项目的研究结果不仅为发展广谱高抗病毒病害的作物品种奠定良好基础，还将为精确解析病毒基因组每个位点的表观遗传学标记在双生病毒复制、转录等病毒学各个过程的作用提供了技术平台。

双生病毒病害是我国农业生产中最重要的病害之一，每年造成数百亿元的经济损失。抗病育种是最有效控制此类病害的方法，由于双生病毒种类繁多，病毒高重组率、入侵病毒种类多等等因素，亟待发展作物对双生病毒具有广谱抗性的新策略。我们前期研究表明，表观遗传学修饰对于双生病毒的抗性发挥了十分重要的作用。本项目利用TALE技术人工设计特异识别靶序列——双生病毒基因间区高度保守的茎环序列（CR），融合具有抑制作用的表观遗传学修饰因子组蛋白甲基转移酶KYP作为效应蛋白，获得人工表观基因组编辑载体CR-KYP。转基因拟南芥接种实验表明CR-KYP能够延缓双生病毒CaLCuV和BCTV的显症时间并有效抑制病毒的滴度。ChIP和CHOP-PCR实验表明与对照植物相比，转基因植物中CaLCuV和BCTV的CR靶点附近H3K9me2和DNA甲基化水平都明显升高，说明CR-KYP转基因植物能够对入侵的病毒基因组进行靶向扫描并特异性结合靶点位置对病毒染色质进行组蛋白和DNA甲基化修饰从而抑制病毒的复制和转录，实现抗病毒的目的。转基因本生烟草和普通烟草接种实验进一步证明CR-KYP对多种双生病毒都具有比较好的抗性作用。本项目开发了一种提高植物对双生病毒科不同属的多种病毒广谱抗性的方法，为发展广谱高抗双生病毒作物品种提供了技术启示，为精确解析双生病毒基因组每个位点的表观遗传学标记在双生病毒复制、转录等病毒学各个过程的作用提供了技术平台。