信号分子硫化氢通过调节DNA甲基化提高谷子抗旱性的分子机制

To improve plants drought tolerance is a serious problem for improving agricultural production. Numerous studies have reported that H2S as the gasotransmitter，participates in variety of physiological regulations，and enhances the tolerance to drought stress in plants. I was demonstrated that H2S could mediate S-sulfhydration of amino-acid residue to regulate activities of target proteins. The changes of DNA methylation occurs under drought stress，to regulate the transcription level of these genes，and actively respond to environmental stress. In northern China, Setaria italica is an important samll grains with strong resistance to many abiotic stresses. Our previous studies showed that physiological concentration exogenous H2S significantly altered both the transcriptional expression level and the enzyme activity of DNA methyltransferases. Hereby，We speculate that H2S can play a role in the process of response to drought stress in two levels. It could regulates the expression of encoding genes of DNA methyltransferase. Also, it could regulate the DNA methyltransferase activity via S-sulfhydration modifications. In this project, the molecular mechanism of H2S regulating the DNA methyltransferase in DNA level and post translational modification level to improve the drought resistance in Setaria italic was investigated. This will provide a theoretical basis for understanding the H2S signaling more comprehensively and developing novel drought-resistant agents of plants.

提高植物耐旱力是农业生产亟待解决的问题。大量研究表明H2S信号参与植物干旱胁迫中多方面的生理调节，最新报道H2S可通过巯基化修饰靶蛋白来调节其活性。植物在干旱胁迫下常伴随DNA甲基化修饰变化，藉此调节相关基因转录水平，以灵活应对环境胁迫。谷子（Setaria italica）是我国北方重要小杂粮，抗逆性强，是研究植物抗旱机制的好材料。我们前期研究表明：谷子经生理浓度H2S处理后，DNA甲基化转移酶（DNMT）编码基因转录水平和酶活性都发生了显著变化。据此推测，谷子在干旱胁迫过程中，H2S可在两个层面发挥作用：一是转录水平，调节重要DNMT编码基因表达量；二是翻译后水平，通过巯基化修饰来调节DNMT活性。本项目以谷子干旱胁迫后DNA甲基化改变为切入点，从DNMT转录水平和翻译后修饰两方面，探讨H2S通过DNA甲基化提高谷子抗旱性，为清晰H2S增强植物抗旱生理机制及开发新型抗旱剂提供理论基础。

DNA甲基化是表观遗传修饰的一种重要形式。它在调节植物生长发育中起着至关重要的作用，也参与植物对多种逆境的响应。近年来，气体信号分子硫化氢（H2S）已被证明与DNA甲基化具有类似功能，但DNA甲基化与H2S在植物抗旱性获得过程中的相互作用尚不清楚。本项目主要研究H2S与DNA甲基化在谷子抵御干旱胁迫过程中的微妙关系。主要结果如下：.1.干旱胁迫诱导H2S生物合成关键酶的活性和转录表达水平，调控内源H2S的积累。.2.干旱胁迫显著改变了谷子体内主要DNA甲基转移酶（DNMT）编码基因（MET1a, MET1b, CMT1a, CMT1b, CMT2, DRM1和 DRM2）和DNA去甲基化酶编码基因（DME 和 ROS1）的转录水平。此外，DNMT的总活性与干旱胁迫密切相关。.3.干旱胁迫下，外源施加生理浓度的H2S（50 μM）可有效提高谷子DNMT活性及其编码基因（MET1a, MET1b, CMT1a, CMT1b, CMT2, DRM1和 DRM2）的转录，而施加HA（H2S合成抑制剂）则结果相反；同时，利用拟南芥H2S产生缺失突变体（lcd, des1）和过表达突变体（OE-LCD, OE-DES1），则直接证实H2S可调节DNMT活性及其编码基因的表达水平。.4.筛选谷子双重响应因子，即响应“干旱胁迫”和“H2S信号”的转录因子，并挑选其中6个作为候选基因，锁定其启动子区的7个CpG岛继续进行DNA甲基化水平分析。其中，AREB1-IS2含59个胞嘧啶C位点。H2S处理后，其中34个位点发生去甲基化，7个位点发生甲基化，总甲基化水平从78.7%下降到63.2%。DREB2A-IS3共含有33个胞嘧啶C位点。H2S处理导致10个位点去甲基化，5个位点甲基化，甲基化水平总体下降7.8个百分点。此外，ZIP44-IS2和NAC5-IS3的整体甲基化水平升高。H2S处理后，ZIP44-IS2的30个胞嘧啶C中22个的位点发生了超甲基化，而只有2个位点发生了去甲基化；而在NAC5-IS3中，24个胞嘧啶C位点中有10个发生超甲基化，1个位点发生去甲基化。NAC5-IS3甲基化的总水平从82.5%增加到97.9%。.综上，气体信号H2S可能通过介导DNA甲基化来提高谷子抵御干旱胁迫的能力，这为揭示谷子抗旱机制提供了新的参考依据。