组蛋白去甲基化酶JMJ13在拟南芥温度介导开花过程中的功能及机理研究

To understand the relationship of histone methylation and temperature-dependent flowering in Arabidopsis, we identify new JmjC domain containing histone demethylase with epigenetic, bioinformatics, biochemical and genetic techniques. Then we will find demethylase activity and catalytic target sites of the candidate JmjC domain containing protein JMJ13 using immunofluorescence technique. The candidate jmj13 mutant will be identified by analyzing DNA sequence and mRNA expression. The jmj13 mutant will be treated in different temperature conditions to observe flowering phenotypes in physiology and biochemical level. To understand the mechanism of genomic stability and of temperature-regulated flowering regulated by histone demethylase, target genes regulated by JmjC domain containing histone demethylase JMJ13 will be analyzed in whole genome level with large-scale sequencing.

本项目以模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)为研究材料，利用表观遗传学、生物信息学、生物化学和遗传学等技术手段筛选鉴定到了含有Jumonji-C (JmjC)结构域的组蛋白去甲基化酶JMJ13。探索JMJ13在高等植物中组蛋白甲基化修饰在温度介导的开花过程中的功能和作用机理。利用免疫荧光技术鉴定JMJ13的去甲基化酶活性和其催化位点特异性。在基因组水平、转录水平鉴定JMJ13的拟南芥突变体，从生理和生化水平分析突变体在不同温度处理下的开花表型。利用高通量测序技术，从全基因组角度对组蛋白去甲基化酶调控基因组稳定性进行研究，揭示JMJ13调控的靶基因，阐明这类重要的蛋白在基因组稳定性和温度介导的植物开花过程的调控机理。

植物的开花时间受到光周期和温度等环境因素的调控，环境因素通过遗传和表观遗传途径调控开花整合因子FT的表达来调节拟南芥开花。本项目中我们以拟南芥为研究材料，利用了表观遗传学、生物信息学、生物化学和遗传学等技术手段筛选鉴定到了含有JmjC结构域的组蛋白去甲基化酶JMJ13。本项目首先利用生化和遗传实验证明JMJ13是植物体内组蛋白H3第27位的赖氨酸三甲基化（H3K27me3）位点特异性的去甲基化酶。当酶活性中心保守氨基酸组氨酸H和谷氨酸E突变为丙氨酸A（H293A-E295A）时，H3K27me3位点特异的去甲基化酶活性丧失。在拟南芥体内过表达JMJ13时能够模拟H3K27me3效应蛋白LHP1缺失突变体和已知的H3K27me3去甲基化酶REF6过表达的表型。过表达株系整体水平的H3K27me3富集显著下降，并且已知的一些H3K27me3靶基因表达出现异常。JMJ13的缺失能够部分恢复拟南芥H3K27me3甲基转移酶CLF基因缺失表型，从遗传上进一步证明的JMJ13的H3K27me3位点去甲基化酶活性。jmj13突变体表现为温度和光周期依赖的开花表型，全长基因的转基因恢复株系能够恢复突变体的开花表型，酶活性中心保守氨基酸突变体以及缺失JmjC和辛指保守结构域后都不能恢复突变体的开花表型。项目进一步探索了组蛋白去甲基化酶JMJ13在温度和光周期介导的开花过程中的功能和作用机理。通过转录组数据分析发现，JMJ13通过影响温度介导开花途径关键基因SVP以及光周期途径关键基因CO的表达，最终影响了开花整合因子FT基因的表达。遗传实验进一步证实JMJ13通过温度和光周期途径共同调控拟南芥开花。温度途径的关键基因SVP和FLM以及光周期途径的CO和GI基因的缺失能够抑制jmj13突变体温度和光周期依赖的开花表型。通过本项目的实施我们明确了JMJ13在温度介导的开花过程的功能并初步解析了JMJ13作用的机理。