植物生物大分子的化学修饰及功能调控

Heavy haze, air pollution and desertification become the key threat of Chinese people’s health. One effective solution is to increase forest coverage in China by engineering plants for better growing in the desert. Study the functional regulation of chemical modifications of biomaromolecules in plant will improve the plant engineering. Compared with the extensive exploration of DNA and histone modifications in plant, RNA modifications were investigated less. Analogous to DNA and histone modifications, it was proved that RNA modification N6-methyladenosine (m6A) play key roles in plant development. In this proposal, we will focus on the methyltransferases (writers), demethylases (erasers) and the binding proteins (readers) of RNA modifications in plant to unravel their pivotal roles in the regulation of plant development and plant response/adaptation to environmental stresses. Based on the fundamental science discoveries, we will engineer plant through the regulation of plant m6A with exogenous or endogenous m6A key factors to control the plant development and plant response to environmental stresses, which is the first time to take RNA epigenetics into plant engineering.

日益严重的雾霾环境污染和沙漠化问题已严重困扰我国人民的正常生活和身体健康，改造和培育更适合沙漠栽培的植物以提高森林覆盖率是解决我国环境污染有效手段之一。研究植物生物大分子的化学修饰及功能调控，将有效地加快植物优化改良的进程。植物中DNA和组蛋白化学修饰已被广泛研究，而RNA化学修饰虽刚起步，但已发现RNA化学修饰N6-甲基腺嘌呤（m6A）对植物生长发育具有重要的调控功能。本项目将首次发现和研究植物中m6A的修饰酶、去修饰酶、识别蛋白，揭示m6A关键调控蛋白对植物生长、发育、环境应激等调控功能，完整解析RNA化学修饰对植物的调控网络。在基础科学研究的基础上，将首次利用外源和内源具有调控m6A的关键基因改造植物，通过调控植物的RNA化学修饰，操控植物的生长发育，进而开发和培育优良的植物品种。本项目将是世界上首次将RNA表观遗传学应用于植物改造工程。

表观转录组学（RNA表观遗传学）是当前最前沿的科学研究领域之一，是表观遗传学的新淘金热。相比于动物中表观转录修饰（RNA化学修饰）的广泛研究，植物中研究比较滞后。本项目集合北京大学化学与分子工程学院化学生物学系在蛋白质化学生物学和核酸化学生物学的优势，发展蛋白质化学生物学技术，运用多学科交叉手段，开展植物生物大分子RNA化学修饰与功能调控研究，取得了较好的研究进展。发现植物拟南芥第一个m6A去甲基酶ALKBH10B，揭示植物RNA修饰m6A可逆性；鉴定出第一个植物m6A结合蛋白ECT2；阐明植物RNA修饰m6A调控植物开花和表皮毛发育的分子机制；利用结构生物学阐明RNA去修饰酶FTO对多个RNA修饰底物的化学选择性分子机制；开发RNA修饰m6A单基因单碱基检测方法；发展一系列蛋白质标记、激活、脱笼、光交联等化学工具并应用于RNA去修饰酶互作蛋白的鉴定与功能研究等多个生物体系的应用。研究成果在Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.、Plant Cell、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.等SCI杂志发表研究论文20篇；新申请专利1项。项目执行过程中申请人陈鹏入选教育部长江特聘教授，骨干贾桂芳入选基金委“优秀青年项目”；培养博士研究生8名。到目前为止，本项目总体进展顺利，圆满完成项目规定的各项考核指标。截止到课题目前为止，已累计到账经费300万，支出经费300万，所有课题经费均按相关规定、按预算执行。