组蛋白去乙酰化酶CbHDA6调控高山离子芥低温适应性机制的研究

Climate change, glacial melting, extreme weather happened frequently in alpine ice margin regions. The study on low-temperature induced the changes of genes expression, and repeated freezing and thawing adaptability, is important for protecting plant diversity and understanding the evolution of alpine ice edge plants. In the repeated freezing of Chorispora bungeana, it was found that the expression of histone deacetylase CbHDA6 increased gradually, but the specific roles and regulatory mechanisms of CbHDA6 were not clear. This project will combine field observation sampling and indoor control experiments to study the low-temperature adaptability of Chorispora bungeana, with the function of CbHDA6 as the breakthrough point, using library screening, mass spectrometry analysis, Genetic analysis and other methods to screen and identify the key transcription factors and downstream target genes regulated by CbHDA6, and some factors as suppressor and activator in upstream of CbHDA6. This study reveals the dynamic changes of histone acetylation / deacetylation in stress inducing and stress memory, and the function and mechanism of CbHDA6 in regulating gene expression responded low-temperature stress. This project is critical for elucidating the role of histone deacetylation in the plant adaptability to low-temperature, which provides a theoretical basis for the further study of plant protection and crop stress resistance.

气候变化，冰川消融，高山冰缘地区极端天气频发，研究低温改变植物基因表达和植物应对反复冻融的适应性机制，对保护植物多样性尤为迫切，对理解高山冰缘植物进化也有重要意义。在高山离子芥反复低温实验中，发现组蛋白去乙酰化酶CbHDA6的表达有逐级增大的趋势，但是具体作用和调控机制都不清楚。本项目拟将野外观测采样和室内控制实验联合进行高山离子芥低温适应性的研究，以CbHDA6的功能研究为切入点，利用文库筛选、质谱分析、遗传分析等方法筛选和鉴定CbHDA6结合的关键转录因子和调控的下游靶基因，以及CbHDA6上游的抑制子和激活子等作用因子，揭示组蛋白乙酰化/去乙酰化在胁迫诱导和胁迫记忆过程中的动态变化，以及组蛋白去乙酰化酶CbHDA6在调控低温胁迫响应基因表达的功能和作用机制，从而阐明组蛋白去乙酰化在高山离子芥低温适应性中的作用，为高山冰缘植物保护和作物抗逆的深入研究提供理论依据。

低温是重要的环境胁迫因子，限制植物的分布和生长发育。针对生长在高寒地区植物的生活适应性研究集中在生理生态的层面，而表观遗传修饰的调节机制知之甚少。高山离子芥作为典型的高山冰缘植物，在生长季会经常遭遇冰雹、降雪和大温差（-4~16℃）的天气，进化出独特的适应机制，是研究植物冷冻耐受的理想材料。组蛋白乙酰化作为主要的表观遗传修饰之一，在植物响应低温胁迫过程中发挥着重要作用。本研究以高山离子芥和拟南芥为实验材料，研究了组蛋白去乙酰化酶HDA6在低温胁迫响应中的分子机制。获得了以下主要结果：1. 低温诱导组蛋白乙酰化总体水平发生变化。组蛋白去乙酰化酶抑制剂TSA处理后，高山离子芥半致死温度LT50升高，耐冷性降低。Western-blot分析显示，自然生境下随着环境温度变化，高山离子芥组蛋白H3及其它共价修饰H3K4me3、H3K9ac、H35Kac和H3K27me3的富集水平都发生了变化，说明组蛋白修饰参与了高山离子芥低温胁迫响应；2. 利用酵母双杂交（Y2H）、质谱分析、双分子荧光互补（BiFC）、体外下拉（pull-down）、荧光素酶报告基因检测和qRT-PCR等体内体外生理生化实验，发现了HDA6-ERF75-ADH1的低温响应调控模型，通过影响细胞内酮醛酸的平衡保护细胞活性。同时此复合体的形成不依赖HDA6的C端磷酸化；3. 转录本定量实验表明CbHDA6响应多种非生物胁迫。经过构建和筛选，获得拟南芥和烟草CbHDA6转基因株系，发现转基因植株冷冻耐受能力增强。天山实地采样的高山离子芥不同生长期的代谢物进行了初步的分析，并试图对乙酰化和代谢物之间的互相调控关系进行解析。本研究结果不仅为阐明高山冰缘植物逆境耐受机制提供了新的视角和理论依据，而且为分子育种，基因编辑改良作物耐逆性，提供了一个关键调控基因。