番茄组蛋白去乙酰化酶SlHDA1和SlHDA3对果实成熟与衰老的调控机制研究

Histone acetylation is an integral component of the epigenetic network in many eukaryotes. Histone deacetylases (HDACs)-medicated acetylation plays key roles in plant growth and development and gene regulation. However, less known about the regulatory mechanism of histone acetylation in fruit ripening and senescence. Our previous study found that HDAC family gene SlHDA1, SlHDA3 have high level of expression during tomato ripening. In this project, the involvement of SlHDA1 or SlHDA3 genes in tomato fruit ripening and senescence will be investigated by transgenic method. The modification of histone acetylation will be analyzed in transgenic plants. The target genes of SlHDA1 or SlHDA3 will be determined by transcriptomic analysis, yeast two-hybrid and bimolecular fluorescence complementation (BiFC). In addition, the epigenetic regulation of SlHDA1 or SlHDA3 will be confirmed by ChIP assays. The results will illuminate the molecular mechanism of epigenetic regulation in fruit ripening and senescence by SlHDA1 and SlHDA3. Also, our study will provide new clues for regulating fruit ripening and storage property by epigenetics.

组蛋白乙酰化修饰是真核生物表观遗传学调控的重要方式之一。组蛋白去乙酰化酶 (HDACs) 介导乙酰化修饰在植物生长发育及基因表达调控中发挥着重要作用。然而，HDACs对果实成熟与衰老生物学过程的调控机制至今仍不清楚。我们前期的研究发现，番茄HDAC家族成员SlHDA1和SlHDA3在破色期或成熟期的果实中表达水平很高，均定位于细胞核中，说明它们在果实成熟衰老中发挥着重要调控作用。本项目拟通过转基因技术、组织切片和生理生化方法研究番茄SlHDA1、SlHDA3对果实成熟衰老的影响，同时分析组蛋白乙酰化修饰情况。利用RNA-seq测序、酵母双杂交和双分子荧光互补技术筛选和鉴定SlHDA1、SlHDA3所调控的靶基因，并结合染色质免疫沉淀技术分析其表观遗传学调控方式。研究结果不仅可以揭示组蛋白乙酰化修饰对果实成熟和衰老的调控机制，也可为通过表观遗传调控果实成熟和耐贮性提供理论基础。

组蛋白乙酰化和去乙酰化修饰是真核生物重要的表观遗传调控方式之一，通过对组蛋白N 端末尾的修饰，达到调控真核生物基因表达的作用。组蛋白去乙酰化酶（HDACs）介导的乙酰化修饰在植物生长发育及基因表达转录调控中发挥着重要作用。然而，其对果实成熟与衰老生物学过程的调控机制至今仍不清楚。本研究从番茄基因组中分离出SlHDA1和SlHDA3 两个去乙酰化酶基因，主要获得如下结果：1、烟草细胞瞬时表达两基因，发现编码蛋白定位于细胞核内。在线分析和荧光定量RT-PCR方法对番茄SlHDA1、SlHDA3基因的时空特异性表达模式进行分析，表明SlHDA1、SlHDA3基因的表达具有组织特异性，均在花器官及果实中的表达量相对较高；在果实的发育阶段，两个基因均在破色时期和果实成熟后期有较高的表达量。2、对启动子区域分析发现，两个基因启动子区域存在与茉莉酸甲酯（MeJA）和赤霉素（GA3）及一些与逆境相关的响应元件。通过相应的激素和胁迫处理分析两个基因的响应模式，发现SlHDA1基因的表达在转录水平上受到赤霉素和茉莉酸甲酯的调控，SlHDA3基因的表达在转录水平上受到赤霉素的调控；胁迫处理结果表明SlHDA1和SlHDA3可能参与植物体对外界温度及盐胁迫的响应过程。3、通过对转基因植株的表型鉴定发现，两个基因的超表达株系中均出现番茄果实变小及种子数量减少的表型，而SlHDA3 RNAi抑制表达株系的果实出现表面色素分布不均的现象，且成熟后始终呈橙红色。初步推测SlHDA1和SlHDA3去乙酰化酶可能参与调控果实发育和种子形成过程，且SlHDA3可能还参与调控番茄果实色素的合成与分布。4、筛选果实发育成熟相关的转录因子与SlHDA1和SlHDA3进行蛋白互作分析，发现GRAS 家族的SlGRAS9和SlGRAS40两个转录因子均能与两个去乙酰化酶发生互作，且锌指蛋白家族的SlZF1也可与SlHDA1互作。由此推测，SlHDA1和SlHDA3可能分别通过与相应的转录因子相互作用，共同调控下游基因表达，从而在番茄果实发育及成熟过程中发挥作用。