表观遗传调控气孔发育

Epigenetic modifications have become increasingly important as a new level of regulation of gene expression in many biological processes in animals and plants. DNA methylation is one of the major, relatively stable but reversible epigenetic marks, therefore contributes to flexible and reversible gene expression regulation. We have previously shown that defect in ROS1 DNA demethylase causes overproduction of stomata lineage cells in Arabidopsis epidermis indicating that ROS1 DNA demethylase ensure proper number of the stomata stem cell population. These our previous results prompt us to further test the potential link between “cell-type specific DNA methylation status” and “plant developmental process”. Here we propose that well studied developmental process of stomata formation can be a simple and exciting model system to test our hypotheses. In addition to developmental cue, we will test the involvement of environmental signals in the regulation of stomata formation though modulating cell-type specific DNA methylation status. We expect that our research will establish an exciting model system for uncovering the mechanistic relationship between DNA methylation dynamics and a specific developmental process in plants.

表观遗传修饰是一种新机制调控基因表达，诠释动植物许多生物学过程中通过表观遗传来调控基因的表达水平显得越来越重要。DNA甲基化是重要的且相对稳定又可逆的表观遗传修饰标记之一，因此有利于基因表达调控灵活性与可逆性。聚焦于表观遗传相关基因调控水平在动物干细胞研究领域中是热点话题之一， 但这方面在植物研究甚少。最近我们证明ROS1 DNA去甲基化酶的功能丢失会改变气孔发育关键基因的表达并导致气孔干细胞数量群的增加。鉴于这些研究结果，我们将进一步验证我们的假说：细胞特异的DNA甲基化水平调控参与调节某一特定植物生长发育过程。因此，我们提出研究气孔发育过程，并以此作为一个简单的，有趣的模式系统来验证我们这一假说。除此，我们还验证环境因素也会调控细胞特异的DNA甲基化水平。 我们预期建立一个植物发育模式系统来深入探讨细胞特异DNA甲基化动态水平与特定植物生长发育过程之间关联的分子与遗传机理。

干细胞的维持是植物发育研究的重要课题之一。我们通过模型植物来研究干细胞是如何维持和控制的。我的前期研究表明DNA去甲基化水平对DNA去甲基化有着重要作用。DNA甲基化水平由DNA甲基化维持。我们假设不仅DNA去甲基化，同时DNA甲基化也对干细胞的维持和群体起到重要作用。我们的课题是从遗传学的角度来研究植物发育过程中干细胞维持的表观遗传印记的变化。然而，我们未能获得具有明显干细胞表型的DNA甲基化相关的突变体。我们进一步寻找调控干细胞群体的因素，并发现SA（水杨酸）过度积累的突变体，cad1（组成型激活细胞死亡）在QC和CSC分化中显现出明显的表型。通过遗传分析，进一步证明了植物激素SA水平对维持拟南芥初生根的QC（静止中心）细胞数量和CSC（小柱干细胞）分化起到重要作用。与此观察结果一致，SA处理抑制QC维持的相关基因的表达，包括编码APETALA2（AP2）转录因子PLETHORA1（PLT1）和PLT2，以及同源域转录因子WUSCHEL-RELATED HOMEOBOX5（WOX5）。这些数据发表在JIPB（2020）上。此外，还研究了植物激素生长素和GA对草莓果实形态和大小的影响，以及脱落酸（ABA）在草莓果实发育过程中的调控机制。果实的生长和成熟受多种植物激素调控。众所周知，植物激素生长素、GA和ABA对草莓果实发育具有重要作用。然而，“这些植物激素的功能是如何在分子水平上被调控”却知之甚少。ABA是草莓果实（非跃变型果实）成熟过程中最重要的植物激素。ABA水平在果实发育初期较低，而在果实发育后期达到较高水平。我们发现ABA水平是由分解代谢相关和生物合成相关的调控环调控。有趣的是，这种调控环路是由植物激素GA控制的，GA在果实发育的早期阶段对果实生长至关重要。这些结果表明，植物激素间的相互作用对草莓果实的发育具有重要意义。我们得出一个明确结论“植物激素间是如何相互作用来共同调控草莓果实的发育”。这些数据发表在PNAS（2018）上。