拟南芥BRM 介导的活性氧平衡调控花瓣大小与形态规格一致的机制研究

Organogenesis is a central question in biology. Arabidopsis mature petals have uniform size and shape, but the molecular and cellular mechanisms controlling it remain unknown. We indentified a mutant showing small petals with irregular size through forward genetic screening. Map-based cloning showed that the phenotype of this mutant was caused by a mutation in the chromatin remodeler BRAHMA (BRM) ATPase. Furthermore, our preliminary studies demonstrated that the expression level of genes required for ROS balance were changed in the brm mutants, which resulted in increased ROS level in the mutants. This study will use ChIP experiment to identify BRM targeting genes. Furthermore, we will investigate whether treatment of wild-type petals by hydrogen peroxide can mimic petal phenotypes observed in the brm mutants. Further researches will identify BRM-interacted transcription factors to understand the mechanism by which BRM regulates ROS balance, and will analyze patterns of cell proliferation and cell expansion over the course of petal development. This study will provide theoretical insights for the mechanisms controlling petal growth and development, and will advance our understanding of mechanisms that regulate ROS balance during plant growth and development. Furthermore, This study will provide theoretical insights for the molecular genetic and cellular mechanisms controlling organ growth and development in crops.

器官形态建成是基础生物学领域研究中的一个重要问题。拟南芥成熟花瓣的大小与形态规格一致，然而其分子调控机制还不清楚。本项目前期研究通过正向遗传学筛选到一个花瓣变小且大小不规则的突变体；图位克隆发现该突变体中染色质重塑因子BRAHMA (BRM)基因发生了突变。突变体中活性氧(ROS)有关的基因表达水平发生改变，并导致ROS水平显著提高。本项目将通过ChIP实验寻找BRM直接靶标。并用过氧化氢处理野生型，看能否造成与brm突变体类似的花瓣表型。通过筛选BRM互作的转录因子，探索BRM调控ROS平衡的机制。分析brm突变体中花瓣发育各时期细胞大小和数目的表型，揭示BRM介导的ROS平衡调控花瓣大小均一的细胞学机制。该研究将为花瓣器官生长发育的调控机制提供理论参考，并加深我们对植物生长发育过程中ROS平衡调控机制的理解。该研究也将为作物器官生长发育的分子遗传与细胞学机制提供理论参考。

植物器官形态建成是基础生物学领域研究中的一个重要问题。花瓣是研究植物形态建成和器官发生的模式系统。拟南芥成熟花瓣的大小与形态规格一致，在细胞水平上比较，成熟花瓣近轴表皮细胞的大小与形态是均一规则的； 然而，其分子调控机制还不知道。本项目通过正向遗传学筛选花瓣突变体，鉴定到一个花瓣变小且大小不规则、花瓣锥形细胞发育有缺陷的突变体。基因图位克隆发现该突变体中染色质重塑因子BRAHMA (BRM)基因发生了点突变。本研究要解决的科学问题是，BRM调控拟南芥花瓣发育的分子与细胞学机制。通过T-DNA插入突变体和表型互补分析，证实了BRM基因功能缺失是造成突变体表型的原因。启动子连接GUS和GFP的实验都表明BRM 在花瓣发育各个时期表达，尤其是在花瓣发育的早期，BRM的表达水平很高。BRM主要定位于细胞核。我们发现，brm突变体中影响活性氧(ROS)水平显著提高。活性氧一直被定义为是有氧代谢的有害副产物，但是近些年被认为能在许多细胞过程和植物生长发育中发挥重要作用的信号分子。通过外源施加ROS处理野生型花瓣，能导致类似brm突变体的表型。通过ChIP-seq实验鉴定到BRM的靶标基因，包括过氧化氢酶CAT1, RBOHD, RBOHB等。结合转录组RNA-seq测序，发现BRM能影响很多基因的表达，其中包括了细胞壁、细胞膨大、细胞分裂、氧化平衡调控等过程有关的关键基因。我们进一步研究发现，brm突变体中花瓣发育各时期细胞大小和数目的表型，关联了 BRM调控花瓣大小均一的细胞学机制。该研究的科学意义是发现了ROS 影响花瓣大小均一规则特性的细胞学机制。为理解染色质重塑因子BRM-活性氧模块在花瓣器官发育中的功能提供实验证据，将为花瓣器官生长发育的调控机制提供理论参考，并加深我们对植物生长发育过程中ROS平衡调控机制的理解。该研究也将为作物器官生长发育的分子遗传与细胞学机制提供理论参考。