AtRAN1调控拟南芥胚乳发育的机制

Genomic imprinting in plants is an epigenetic phenomenon by which genetically identical alleles are differentially expressed in a parent-of-origin dependent manner. Imprinted gene expression primarily occurs in the endosperm and epigenetic regulation of imprinted gene is vital to proper endosperm development and seed viability. Our lab found that down regulation of AtRAN1 leads to smaller-size seeds. However, in WT crossed with AtRAN1 knock-down line (r1-2) pollen, the seeds are significantly small. On the contrary, when r1-2 is crossed with WT pollen, the seeds abort. In these situations, the expression pattern of AtRAN1 changes. This suggests that there is some relationship between parental AtRAN1 ratio and expression pattern and indicates that AtRAN1 is a novel imprinted gene. In the same time, we found that proper expression of AtRAN1 in endosperm is critical for the onset of cellularization. But we also should make clear whether AtRAN1 is an imprinted gene and its regulating mechanism. While, how AtRAN1 regulate endosperm cellularization is another scientific issue we should figure out. In the future study, we will investigate the mechanism of AtRAN1 regulating endosperm development and clarify epigenetic mechanism of AtRAN1 regulation as a putative imprinted gene.

基因组印迹是指在配子或合子发生期间，来自亲本的等位基因或染色体产生专一性表观遗传学修饰，导致后代体细胞中两个亲本来源的等位基因有不同的表达活性的现象。植物印迹基因的表达主要发生于胚乳中，与种子发育过程密切相关。因此，研究印迹基因的功能及调控机制是植物生殖学的重要内容。本实验室前期研究工作发现：AtRAN1下调表达突变体r1-2自交，种子变小；r1-2与WT（Col-0）进行正反交，种子更小或者致死，并且AtRAN1在胚乳中的表达模式发生改变；胚乳细胞化进程受到影响，进而导致种子形态异常。结果说明 AtRAN1在胚乳中表达模式与其父母本比例相关，可能是一类印迹基因。但是，AtRAN1的印迹特点、AtRAN1表达的表观遗传学调控机制及其调控胚乳细胞化的分子机制等仍有待进一步阐明。本项目拟利用遗传学、分子生物学、细胞生物学等手段对上述问题进行研究，以期探明AtRAN1调控胚乳发育的分子机制。

AtRAN1是拟南芥小G蛋白RAN家族成员之一。本实验室前期对父母本AtRAN1在胚乳表达模式的研究工作发现：AtRAN1是一个胚乳中母本表达的印迹基因，父本来源的AtRAN1在胚乳发育的后期受到抑制，胚乳细胞化进程受到影响。与正常发育的种子相比，r1-2做母本授予野生型（WT）花粉时所结种子致死，AtRAN1在胚乳中过量表达导致胚乳细胞化延迟或不发生，从而影响了种子的发育。结果说明AtRAN1在胚乳中表达模式与其父母本比例相关，是一个新的印迹基因。.在本项目中，我们利用了遗传学、分子生物学、细胞生物学等学科的研究方法，探索 AtRAN1 在胚乳发育过程中的印迹方式和印迹调控方式。研究结果表明：1) 我们筛选并获得了AtRAN1调控胚乳细胞化进程的关键下游基因MINI3，阐明了AtRAN1调控胚乳细胞化的分子机理；2) 研究发现胚乳中母本来源AtRAN1的表达模式的改变影响胚乳发育，其表达模式的改变与AtRAN1基因3’UTR区域CpG岛的甲基化紧密相关；3) 进一步我们发现DME和MET1共同调控AtRAN1的甲基化，进而影响其在胚乳中的表达水平，这些结果为我们深入探讨AtRAN1基因表达的表观遗传学调控机理提供了重要的理论依据；4) AtRAN1 蛋白在体外非细胞体系中促进核膜重建，其在花粉营养核核膜的特异性定位和功能影响花粉管的生长及雄性生殖单位的维持； 5）在项目执行过程中，我们开展了另一个拟南芥基因AtFH5在花粉萌发过程中的作用，发现其通过整合微丝聚合及囊泡运输进而调控花粉极性建立及花粉管萌发。以上研究结果对深入了解植物基因组印迹如何调控胚乳细胞化的分子机制及认识植物RAN蛋白和Formin蛋白的功能具有重要的理论意义和潜在的实践意义