多维组学数据集成分析以探索叶片衰老的转录和表观遗传调控机制

Leaf senescence is the final stage of plant leaf growth and development, which is initiated by age-dependent endogenous development signals and stimulated by external environment. There are multilayer molecular regulation of leaf senescence, especially the transcriptional and epigenetic regulation. It is very difficult to study about how the plants coordinate the different levels of regulation to affect leaf senescence. Fortunately, the accumulation of multi-dimensional omics data and the network-based modular analysis have provided us with new ideas. In this study, we will integrate plants multi-omics data, especially the epigenome and transcriptome data, to establish an effective integration and data-mining platform, mainly for the research about the transcriptional and epigenetic regulatory mechanism underlying leaf senescence. Our platform will cover chromatin states-based epigenome data integration and gene network-based transcriptional regulatory analyses. Then based on the multi-omics data integration platform together with dynamic collaborative analysis and functional enrichment analysis tools, we will search the leaf senescence related key function modules and explore new pathways, and might find some relevant new key genes or specific sites with chromatin modification. We will select several key regulatory factors for experimental validation. Furthermore, we will conduct comparative cross-species analysis for epigenome data, gene network and functional modules, to provide reference for studying the regulation mechanism of leaf senescence in different crops, which might promote to solve the important agricultural problem about the precocious leaf senescence.

叶片衰老是植物叶片生长发育的最后阶段，是由叶龄依赖的内源发育信号和由外界环境刺激所启动的，涉及到多个分子层面的调控，尤其是转录和表观遗传调控。不同调控层面如何协调来影响叶片衰老是一个研究的难点，幸运的是多维组学数据积累和网络模块化分析为我们提供了新的思路。本研究将集成分析植物多组学数据，试图构建一个以表观基因组和转录组数据为主的、涵盖其它组学数据的多维组学整合与分析平台，着重于叶片衰老过程中转录和表观遗传调控机制的研究。该平台将包括以染色质状态为基础的表观基因组数据平台和以基因网络为主的转录调控分析平台。进而通过动态协同分析、功能富集分析等手段，我们将挖掘叶片衰老相关的关键功能模块，探索新的与叶片衰老相关的调控途径，对关键基因或特定的表观遗传位点进行功能验证。另外，通过跨物种表观基因组比较分析和基因功能模块比较分析，为农作物叶片衰老的调控机制研究提供参考，以期促进农作物叶片早衰问题的解决。

叶片衰老是植物叶片生长发育的最后阶段，涉及到多个分子层面的调控，尤其是转录和表观遗传调控，不同调控层面如何协调来影响叶片衰老是一个研究的难点。在本项目执行期间，我们整合了公共平台和自行产生的拟南芥、水稻和玉米等植物物种的表观基因组数据，构建了一个植物染色质状态数据库-PCSD。PCSD数据库里包含基本的查询和浏览功能，支持对这些表观基因组数据之间的比较分析，可以用于挖掘植物基因的表观遗传调控位点。同时利用转录组数据整合分析构建了多个植物物种的基因共表达网络，识别基因共表达功能模块，并与染色质状态信息相结合建立了多个植物物种的多组学基因网络分析平台，包括玉米、苹果等。由此形成了一个以表观基因组和转录组数据为主、涵盖其它组学数据的多维组学整合与分析平台，包括以chromatin states为基础的表观基因组数据平台和以基因网络为主的转录调控分析平台，服务于叶片衰老过程中转录和表观遗传调控机制的研究。.我们利用PCSD平台对黑暗胁迫下的拟南芥多种表观基因组（DNase-seq、ChIP-seq等）和转录组数据进行了集成分析，揭示了黑暗胁迫下这些表观遗传标记各司其职，协同调控基因的表达，进而影响表型。初步探索了拟南芥应答黑暗胁迫的表观调控机制。同时还利用已构建的多维组学整合与分析平台，挖掘与叶片衰老相关的转录和表观遗传调控的关键功能模块，并通过进一步实验验证以揭示新的基因转录和表观遗传调控途径，包括拟南芥AtSPX1基因和水稻HDA710-OsGSTU12模块等。相信我们的研究成果和公开发布的数据平台，会为农作物叶片衰老的调控机制研究提供参考，并促进农作物叶片早衰问题的解决。