拟南芥组蛋白H3K4去甲基化酶在植物逆境胁迫应答过程中的功能研究

Soil salinization and global warming has identified to be the main imminent environmental factors which severely limiting the world's agricultural production, therefore it is important to realize the molecular mechanism of plant tolerance to high salt and high temperature stress. Epigenetic modification in plants plays key roles in response to environmental stress. Previous studies showed that histone methyltransferase ATX1 is involved in plant response to drought by catalyzing H3K4 methylation. However, the role of histone demethylase (JmjC) in plant stress response is unclear. Our previous work found that, over-expression plant of JMJ15 (a H3K4me3 demethylase) could enhance the salt resistance, whereas the jmj15 knock-down mutant is more sensitive to salt stress. These preliminary data suggest that JmjC is involved in plant resistance to salt stress, but its molecular mechanism remains to be elucidated. Using qPCR and ChIP technologies, this project indtends to study the dynamic changes of H3K4me3 in the plant response to salt and temperature stress, and in addition, to research the putative roles of H3K4me3 demethylase (JMJ14-18) in regulating stress responsive genes during and after stress treatment, thus clarify the mechanism of histone modifications in plant response to environmental stress, and provide a theoretical basis for further study in the regulation of plant gene expression and crop resistance.

土壤盐碱化和全球气候变暖是世界农业生产最主要的环境限制因子，因此研究植物抗高盐和高温胁迫的分子机制对提高作物产量具有重要的意义。表观遗传修饰在植物对外界环境胁迫的应答中起到关键作用，如组蛋白甲基化转移酶ATX1通过催化H3K4甲基化参与植物对干旱的响应，但组蛋白去甲基化酶（JmjC）在植物胁迫应答中的作用还不清楚。我们之前的工作发现，过表达JMJ15（H3K4me3去甲基化酶）能增强植物抗盐性，jmj15突变体对盐胁迫更加敏感，暗示JmjC参与了植物抗盐胁迫，但其具体的分子机理还有待阐明。本研究拟对植物进行盐胁迫和温度胁迫处理，利用qPCR、ChIP等方法研究H3K4me3在胁迫诱导和胁迫记忆过程的动态变化，以及H3K4me3去甲基化酶（JMJ14-18）在调控胁迫响应基因表达的功能和作用机制，从而阐明组蛋白修饰在植物胁迫过程中发挥的作用，为植物基因调控和作物抗逆的进一步研究提供理论依据。

胁迫是影响植物生长、发育和再生的重要因素之一，不仅提供选择性的进化动力，而且决定物种的分布。土壤盐碱化是世界农业生产主要环境限制因子，因此研究植物抗高盐的分子机制对提高作物产量具有重要意义。表观遗传修饰在植物对外界环境胁迫的应答中起到关键作用，拟南芥12.1%的基因含有 H3K4me3修饰，并且 H3K4me3在植物发育过程，如花粉生长、胚胎发育、种子萌发、花周期等扮演重要角色，同时H3K4me3也开始被发现在植物逆境胁迫应答过程中发挥重要作用。本项目主要研究组蛋白H3K4去甲基化酶JMJ15在逆境胁迫中的功能，进一步阐明组蛋白H3K4me3在胁迫中的变化情况和组蛋白去甲基化酶JMJ15调控下游基因的表达模式。我们重点开展了以下工作：JMJ15参与调控植物抗盐胁迫的表型分析，我们筛选了3个jmj15 T-DNA插入的纯和突变体，其中jmj15获得性突变体（jmj15-1和jmj15-2）更加抵抗高盐胁迫；jmj15缺失突变体（jmj15-3）对盐胁迫更加敏感；JMJ15在高盐胁迫应答中的表达量分析，结果表明JMJ 15表达水平受盐胁迫诱导，JMJ15可能在盐胁迫应激中发挥作用；JMJ15调控拟南芥胁迫应答基因的表达分析，在正常生长条件下JMJ15过表达突变体中更多的基因下调，在高盐胁迫状态下，JMJ15缺失突变体中更多的基因上调表达，这说明JMJ15是一个转录抑制因子，与其H3K4去甲基化酶功能相一致；JMJ15调控靶基因位点分析，我们利用35s-JMJ15 cDNA-HA的转基因材料，通过ChIP-seq实验，共找到714个JMJ15基因的下游结合靶位点，并且发现与jmj15获得型突变体中下调的部分基因重合，说明JMJ15作为转录抑制因子，可以直接结合和调控这些基因的表达；高盐胁迫调控植物H3K4me3水平的分析，结果表明在高盐胁迫过程中，H3K4me3水平与基因表达相一致，而JMJ15在胁迫应答过程中通过调控一些关键转录因子的H3K4me3水平，参与盐胁迫应答过程。通过以上研究，我们阐明了组蛋白去甲基化酶JMJ15在调控胁迫响应基因表达中的功能和作用机制，为表观遗传在植物基因调控和作物抗逆的进一步研究提供理论依据。