Trx 家族蛋白调控水稻开花时间和生殖发育的分子机制研究

Post-translational modifications of histones constitute important subjects in current epigenetic research. The applicant's laboratory has a long recording of interest in studying histone lysine methylations (including H3K4, H3K9, H3K27 and H3K36) and their roles in regulation of plant growth and development. Particularly interesting, the Trx-family gene SDG2 has been shown to encode a major H3K4-methyltransferase in Arabidopsis and its knockout of function drastically impairs both sporophyte and gametophyte development as well as root stem cell niche maintenance. To investigate biological function of H3K4 methylation in rice, we here propose to identify and characterize rice Trx-family genes using cutting edge multidisciplinary technologies. This research will fill in the gap between the good knowledge of presence of H3K4 methylation across the rice genome and a largely lack of knowledge of H3K4 methylation-deposition mechanism and biological roles in rice plant growth and development. Elucidation of H3K4-methylation function in rice flowering and reproduction is anticipated to provide useful information for rice breeding.

组蛋白修饰是表观遗传学研究的核心内容之一，申请人实验室长期研究组蛋白甲基化修饰（包括H3K4、H3K9、H3K27和H3K36位点的甲基化修饰）对植物生长发育的调控。前期研究发现H3K4甲基转移酶SDG2的功能缺失，导致拟南芥孢子体和配子体的发育缺陷，同时还抑制了根的生长发育。为了深入研究植物中H3K4 甲基化修饰的功能和调控机制，本项目将利用遗传学、生物化学、分子生物学及细胞学等研究技术，通过分离鉴定水稻组蛋白H3K4甲基化的修饰蛋白并研究其功能，结合修饰蛋白的结合蛋白的分析，探索组蛋白甲基化修饰建立及发挥生理功能的分子机制。该研究不仅可以填补水稻中有关H3K4甲基化修饰相关研究的不足，还有助于了解H3K4甲基化修饰蛋白对目的基因的特异识别以及修饰后表观信息的传递，从而深入了解植物H3K4甲基化修饰的生理意义，为水稻分子育种提供理依据。

组蛋白修饰是表观遗传学研究的核心内容之一。真核生物中，与转录激活相关的H3K4甲基化修饰广泛存在于染色质。近年来，H3K4组蛋白甲基转移酶在拟南芥中被陆续鉴定，然而水稻中的相关研究还很少。为了深入研究植物中H3K4 甲基化修饰的功能和调控机制，本项目利用遗传学、生物化学、分子生物学及细胞学等多种研究技术，通过分离鉴定水稻组蛋白H3K4甲基化的修饰蛋白并研究其功能，探索组蛋白甲基化修饰建立及发挥生理功能的分子机制。本研究发现水稻trxG家族蛋白SDG701具有特异的组蛋白H3K4甲基转移酶活性。SDG701基因缺陷的突变体表现出多种表型，包括开花时间延迟，植株矮小，育性下降等等。进一步的研究表明，SDG701作为H3K4组蛋白甲基转移酶，可以直接结合在成花素基因Hd3a和RFT1上，通过建立H3K4me3甲基化修饰来激活这些基因的表达进而促进水稻开花。该研究不仅填补了水稻中有关H3K4甲基化修饰相关研究的不足，还有助于深入了解植物H3K4甲基化修饰的生理意义，为水稻分子育种提供理依据。