表观修饰在镉（Cd）介导小白菜细胞自噬过程中的功能研究

Among hotspots of foundmental research, cell autophagy is involved in many processes, including development, senescence, immune response and environmental stress response. Nowadays, Cadmium (Cd) is one of the heavy metals with high social attention. In animals, the functions of cell autophagy to Cd resistance are well characterized, whereas little is known in plants. Chromatin modification is an important part of epigenetics, regulating gene expressions via chromatin structure changes and plays a key regulated role in plant response to stress. In this research, Pakchoi (Brassica campestris L. ssp. chinensis Makino var.communis), one of the Cd super-enriched vegetable, as test material, is used to investigate autophagic gene screening, the chromatin regulation and the chromatin regulation of 45S rDNA in Cd-induced autophagy processes. Based on the results of this project, we will not only for the research of the function of cell autophagy to Cd resistance in plants, but for safe production of Pakchoi.

细胞自噬是目前研究的热点领域，涉及发育、衰老、免疫应答以及环境胁迫应答等多个方面。以当今社会关注度较高的重金属镉（Cd）为例，动物中细胞自噬对Cd抵御功能的研究比较清楚，而植物中却知之甚少。染色质修饰是表观遗传学一个重要的分支，它可通过对染色质结构调控来调节基因表达，在植物逆境反应过程起关键性的调控作用。本项目以Cd超富集蔬菜之一——小白菜为试材，通过Cd诱导小白菜细胞自噬基因筛选，小白菜叶片细胞自噬过程中的组蛋白修饰调控以及核糖体45SrDNA表观修饰调控的研究，为细胞自噬在植物Cd损伤中的作用研究提供理论基础，同时也为解决小白菜的安全生产提供参考依据。

本项目以小白菜为材料，研究细胞周期和Cd介导的细胞自噬过程中的分子调控网络、表观修饰调控和45S rDNA调控，尝试揭示细胞自噬过程中染色质修饰的功能。研究结果如下：（1）Cd 胁迫导致小白菜表型变化和Cd累积，并在根细胞中产生大量的自噬体。Cd 诱导小白菜根系细胞自噬发生过程中，ROS含量显著升高，尤其是H2O2，抗氧化酶活性随Cd浓度升高而降低。转录组筛选了六个自噬相关基因，包括4个AMPK，1个ATG13和1个Beclin1；（2）Cd 诱导小白菜根系细胞自噬发生过程中，组蛋白H3K9ac、H4K5ac、H3ac、H3K4me2和H3K9me2水平均呈现 “先升后降”变化，并引起染色质结构解旋。特定种类的表观修饰抑制剂处理能改变Cd诱导小白菜细胞自噬过程中的组蛋白乙酰化修饰水平，诱导根细胞在有丝分裂过程中产生G1期或G2期阻滞，并直接造成基因组DNA损伤。抗氧化剂硫脲能有效降低表观修饰抑制剂处理组的H2O2分子含量，并缓解G1期阻滞。高浓度 TSA能促进Cd诱导小白菜细胞自噬发生过程中组蛋白乙酰化水平，增强ROS分子积累和SOD活性。组蛋白乙酰化相关基因GCN5和HAT-B在多个表观修饰抑制剂处理组中表达量下调，而HDAC101表达量则是上升。（3）Cd诱导小白菜细胞自噬发生过程中细胞核仁发生了解体，异常核仁细胞核比例虽Cd浓度升高而逐渐增加。45S rDNA三个区域5'ETS-1、5'ETS-2和18S表达量显著上升，启动子区域的DNA甲基化水平也明显升高，而H3K9ac，H4K5ac以及H3K9me2组蛋白修饰水平均明显上升。该研究可为细胞自噬应对植物抵御Cd损伤的功能研究奠定理论基础，同时为解决小白菜安全生产提供了参考依据。