JMJC结构域基因Se15调控水稻抽穗期和产量构成因素的分子机理

Jumonji C（JMJC） domain-containing proteins function as histone demethylases, is an essential epigenetic modification of chromatin structure having activating and suppressing effects on gene expression. Our previous study characterized a mutant showed early flowering and an increase of both panicle number and number of grain per panicle, and identified the mutant gene as Se15, which encoding a JMJC domain-containing protein. In this study, we will conduct the in situ experiment to investigate the spatial expression pattern of Se15, use the microarray assay to evaluated genome-wide effects of Se15, and compare the result with Chip-seq data to detect the target genes of Se15. Gene ontology analysis will be used to analyze the enrichment of target gene. The target gene will be verified by gene expression analysis. We will cultivate the mutant line at different latitudes to explore the breeding value of Se15. This study will not only provide us crucial information for understanding the regulation mechanism of flowering time and yield components, but also give us a theoretical foundation to improve the yield and adaption of rice varieties, and deepen the understanding of JMJC family gene in rice.

JMJC蛋白是主要的组蛋白去甲基化酶，在表观遗传学中对基因的激活与抑制有重要作用。项目前期研究发现具有抽穗期提前与穗数和每穗粒数增加优良性状的突变体HS254，并将突变基因定位为含有JMJC结构域的Se15基因。本项目利用in situ实验确定Se15的时空表达模式，通过转基因互补实验验证Se15的功能，通过芯片实验和Chip-seq实验在水稻全基因组水平筛查Se15的靶基因，并通过表达分析验证靶基因，从而明确Se15参与的调控基因网络，阐明Se15调控抽穗期提前和穗数及每穗粒数增加的机理。通过多纬度田间试验分析生态条件对物质生产和产量的影响，探求Se15的育种利用价值与途径。本研究不仅有助于了解调控水稻抽穗期和产量构成因素的基因网络，更对水稻产量和地区适应性育种具有重要的理论和实践意义，同时还将丰富和深化对水稻JMJC家族基因的认识。

JMJC蛋白是组蛋白去甲基化酶，抽穗期调控基因Se15编码JMJC和ZnF结构域，项目通过CRISPR/Cas9基因编辑技术构建突变体验证了Se15的功能，通过芯片和表达解析分析Se15的表达模式发现Se15可能通过影响Ghd7的表达来调控Ehd1表达水平，进而影响抽穗。项目构建了同时缺失JMJC和ZnF结构域的突变体CRISPR△Full和只缺失ZnF结构的突变体Cripr△ZnF。长日照条件下CRISPR△Full和CRISPR△ZnF显著早于野生型，展现出与HS254相似的抽穗期表型。体外H3K9me3位去甲基化酶活性实验发现ZnF结构域的缺失并不影响Se15的去甲基化酶活性，但是影响Se15对抽穗期的调控。项目通过对粳稻主要稻区不同年代的72份种质资源测序发现JMJC结构域基因还没有应用到水稻育种当中。项目还利用籼粳杂交构建的重组自交系发现不同生态环境下的主效抽穗期QTL，此外项目还分析了72份种质资源中直立穗型基因的多样性。