玉米糊粉层程序性细胞死亡的分子细胞遗传调控机制

The crop aleurone layer is an established model system for studying phytohormone signaling and programmed cell death during seed germination. Our previous studies showed that histone deacetylase (HDAC) is required for GA-induced PCD in maize aleurone layers. In the present study, we will analyze the transcriptome of GA or histone acetyltransferase (HAT) inhibitor-treated maize aleurone layers and uncover signal transduction networks in respect to HDAC from high-throughput data. RT-PCR and Northern blot techniques will be used to study expression time course of these candidate genes to further investigate possible connection between these genes. The epigenetic modification status of these genes will be comparatively analyzed by ChIP-PCR to elucidate the association of gene expression and histone modification, and the functions during GA-mediated PCD. The change of GID1, DELLA, GAMyb and H2O2 will be analyzed after treatment with GA or HAT inhibitors or transformation of the HDAC construct by particle bombardment into maize aleurone layers, and the connection will be revealed between these molecules and HDAC. Following treatment with HAT inhibitors and ABA, more signaling components will be characterized. This study attempts to elucidate the function and molecular mechanism of HDAC in GA-mediated PCD of the maize aleurone layer, and the results of the study will deepen our understanding of the plant hormone GA signal transduction pathway and the mechanism of plant PCD.

作物糊粉层是研究激素信号传递和植物PCD机制的极好模型。我们前期的工作发现组蛋白去乙酰基化酶（HDAC）参与了玉米糊粉层细胞的PCD，本项目用GA或组蛋白乙酰基化酶（HAT）抑制剂处理玉米糊粉层，分析其转录组，构建以HDAC为基础的基因调控网络。定量PCR和Northern blot分析候选基因随处理时间过程的表达变化，试图进一步探索这些基因之间的可能联系。研究候选基因染色质修饰与基因表达的关系及在GA介导的糊粉层PCD中的作用。在过表达HDAC基因或HAT抑制剂／GA处理的糊粉层中，分析GID1、DELLA、GAMyb和H2O2等的变化情况，探索这些分子之间的联系。结合ABA处理和HAT抑制剂处理进一步通过基因表达分析PCD信号途径中的分子成分。本研究试图阐明HDAC在GA介导的玉米糊粉层PCD中的功能和分子细胞遗传机理，将加深人们对GA信号转导途径以及植物PCD机理的新认识。

组蛋白去乙酰化酶(HDAC)参与了植物生长发育和抗性的调控，我们早期的工作发现HDAC参与了玉米糊粉层细胞的PCD。本研究主要研究HDAC在GA介导的玉米糊粉层PCD中的分子细胞遗传机理以及在植物中的其它功能和机制。结合对照组，在GA或组蛋白乙酰化酶（HAT）抑制剂存在下对无胚糊粉层进行了比较转录组分析。共分析了7919个差异表达基因（DEG），其中2554个DEG在两种处理下是共同的。这些DEG参与各种生物过程，包括DNA甲基化、脂质代谢和ROS信号传导。进一步的研究表明，DNA甲基转移酶的抑制阻止了糊粉层PCD，表明活性DNA甲基化在调节糊粉层的PCD中起作用。GA或HAT抑制剂诱导脂氧合酶基因表达，导致脂质降解，但这一过程不受DNA甲基化的影响。然而，DNA甲基化抑制剂可以调节ROS相关基因的表达，并抑制GA诱导的过氧化氢（H2O2）的产生。总之，脂氧合酶、DNA甲基化和H2O2的联系可能表明，GA诱导糊粉层中HDAC活性升高，通过调节脂氧合酶蛋白基因表达导致脂质分解，并增加DNA甲基化介导H2O2产生；因此，DNA甲基化和脂质代谢途径可能是玉米糊粉层PCD中一个重要而复杂的信号网络。我们也研究了玉米组蛋白去乙酰基化酶ZmHDA102在ABA调控的玉米根生长中的功能和分子机理，包括ZmHDA102的克隆、和ABA受体的相互作用及使ZmPYL8受体蛋白去乙酰基化，相互作用导致下游蛋白激酶SnRK2s不能够被释放，从而抑制玉米根的生长。我们对禾本科植物组蛋白乙酰基化酶（HAT）和HDAC的综合表征揭示了它们的保守和变异，基因重复分析表明，最近的全基因组重复（WGD）/片段重复（SD）事件有助于禾本科植物CBP和RPD3/HDA1基因家族的多样化。为了深入研究HDAC在植物中的功能和机制，我们进一步在水稻中利用转基因RNAi干涉和过表达OsHDAC1，研究表明OsHDAC1通过使OsGSK2失活从而防止侧根原基形成的正调节因子OsBZR1的降解来调节水稻中侧根的形成。这些研究揭示了HDAC在植物中包括玉米糊粉层PCD中的功能和分子细胞遗传机制，结果将加深人们对HDAC和植物激素如GA和BR信号转导途径之间的关系及HDAC的作用和机理的新认识，为通过打靶HDAC对作物进行育种和品种改良奠定基础。