玉米45S rDNA脆性位点的表观遗传机制及遗传进化

植物基因组45S rDNA常常表现脆性的特征。在本项目中，我们将在玉米染色体和分拣的间期核中定量分析复制抑制剂阿非迪霉素作用下45S rDNA脆性表现的频率，采用ChIP-PCR和Immuno-FISH研究它的编码区、ITS、IGS及其它调控区域组蛋白修饰以及DNA甲基化状况。银染实验在染色体上比较分析45S rDNA复制的早和晚以及活性的NOR和非活性的NOR，同时荧光定量PCR分析pre-rRNA表达。使用表观修饰酶类抑制剂处理改变修饰状况，采用上述方法，进一步研究表观修饰在45S rDNA脆性表现中的作用。Immuno-FISH和Sounthern blot分别被用来检测分析复制压力诱导这个位点姊妹染色质桥的形成和重组情况。通过这些rDNA脆性表观遗传学的研究将加深人们对玉米染色质结构尤其是rDNA结构以及在植物基因组进化中的作用的认识，为染色体工程改良植物奠定一定的理论基础。

45S核糖体DNA(45S rDNA)由串联重复元件组成。正常细胞中,只有部分rDNA拷贝被转录,其余的则处于沉默状态。表观修饰参与调控rRNA基因转录失活与活跃状态的转变。该位点串联重复的特质有利于同源重组,可能引发遗传不稳定。我们早期的研究表明黑麦草45S rDNA是自发形成的染色体脆性位点。在这项研究中,我们发现复制抑制剂APH和转录抑制剂ActD都能诱导植物产生45S rDNA脆性表型,其细胞学形态类似于人普通型脆性位点表型。APH和ActD处理也能使间期rDNA脱浓缩。但这两种试剂都不影响玉米着丝粒和Knob位点的稳定性。这些结果证明45S rDNA位点既是复制依赖型又是转录依赖型脆性位点。脆性表达的rDNA位点有大量AgNOR蛋白共定位,同时,ActD显著抑制RNA PolI转录延伸的同时促进rRNA基因转录起始,迫使更多的原本处于浓缩状态的rRNA基因转变成脱浓缩状态并分散在核基质中,形成多核仁。脱浓缩会妨碍染色体折叠,促使45S rDNA位点脆性表达。ActD诱导位点特异性去甲基化并使组蛋白H3总含量大幅度减少,H3K9ac、H3K4me2、H4K5ac和H4K16ac含量明显升高,而H3K9me2含量却略有下降。这些表观修饰改变促使浓缩型染色质变成松散型染色质,可能导致rDNA染色质包装失败和脆性表达。ActD处理导致玉米rDNA区域的γH2AX含量升高,但使eccrDNAs含量略为降低,表明rDNA位点的染色单体同源重组修复或非同源末端连接修复被抑制。ActD诱导的DNA损伤积累和DNA修复抑制可能会使更多的45S rDNA断裂未经修复直接进入分裂中期,并在染色体上形成脆性表型。也证实了rDNA染色质变化和表观修饰参与了激素介导的种子萌发,发现玉米根部不同区域rDNA修饰状况是不同的。rDNA脆性表观遗传学的研究将加深人们对玉米染色质结构尤其是rDNA结构以及在植物基因组进化中的作用的认识,为染色体工程改良植物奠定一定的理论基础。.在基金的资助下,我们也深入拓展了玉米染色质表观遗传的研究内容,发现rDNA和knob与表观修饰卷入了玉米冷热盐等非生物胁迫应答。这些将加深人们对表观修饰在玉米生长和发育中作用的理解。