小麦组蛋白乙酰转移酶基因TaGCN5调控耐盐性的分子机制解析

Wheat (Triticum aestivum L.) is the main crop in China and its yield and performance are severely affected by high salt concentrations in soils, but the underlying mechanisms for salt tolerance in wheat is still need to be elucidated. Recently, a mount of salt stress related genes were identified in wheat by RNA-seq. Although epigenetic mechanisms are crucial to transcriptional regulation of gene expression, their involvement in response to salt stress is less clear. In this study, the main objectives are to figure out how histone acetyltransferase TaGCN5 functions in responsibility to salt stress in wheat. Our specific aims are: 1) detect the TaGCN5 homoeolog-specific gene expression pattern under salt stress. 2) Figure out the biological function of TaGCN5 with overexpression and suppressed its expression in wheat. 3) Compare the salt tolerance between transgenic line and wild type. 4) Determine the downstream genes of TaGCN5 by ChIP-Seq. In summary, the expected data will provide some evidence that TaGCN5 might act as an important factor to salt stress in wheat.

小麦是我国第三大粮食作物，土壤盐渍化是影响小麦产量的重要非生物逆境因素。我们前期通过小麦盐胁迫前后基因差异表达谱分析，鉴定出一个盐胁迫诱导上调表达的组蛋白乙酰转移酶相关基因TaGCN5。本申请课题将以TaGCN5基因为研究对象，从基因表达、转基因功能鉴定及下游候选靶基因的筛选等不同层面上开展研究，为解析小麦耐盐性的表观遗传调控机理奠定基础。具体研究目标为：分析TaGCN5部分同源基因在不同倍性小麦盐胁迫前后的表达变化，获得小麦中该基因的超表达和RNAi转基因株系，查明转基因植株与受体基因型在表型以及耐盐性指标上的差异，筛选出2-3个重要的下游候选基因，初步解析TaGCN5在小麦盐胁迫过程中参与的调控途径。发表论文2-4篇，培养研究生2名。

本项目以小麦组蛋白乙酰转移酶基因TaGCN5为研究重点，围绕TaGCN5在耐盐性中的功能，从部分同源基因差异表达分析、转基因功能解析及下游候选靶基因的筛选等不同层面开展了系列研究。获得小麦中该基因的三个部分同源基因，分别命名为TaGCN5-A，TaGCN5-B和TaGCN5-D，发现该基因在进化过程中非常保守。正常条件下，三个部分同源基因表达水平无显著差异，盐胁迫后三个部分同源基因均上调表达，其中TaGCN5-D上调倍数最高。发现TaGCN5基因表达模式与不同倍性小麦耐盐性呈正相关。构建了TaGCN5基因的超表达和RNAi载体转化小麦受体Fielder，并获得相应的转基因株系。与对照相比，TaGCN5在小麦超表达株系中均显著上调表达，而在RNAi株系则表达下调。分析发现，与对照Fielder相比，超表达株系耐盐性显著提高，而RNAi株系耐盐性显著降低。.对TaGCN5小麦不同转基因株系进行盐胁迫前后转录组分析，发现与野生型Fielder相比，盐胁迫条件下TaGCN5超表达株系中差异上调表达基因主要集中于氧化还原过程。组织化学染色结果表明盐胁迫会诱导小麦叶片以及根部ROS含量增加，同时盐胁迫条件下小麦叶片以及根部ROS的含量受到TaGCN5调控。进一步发现盐胁迫下氧化还原过程相关基因TaRbohC，TaRbohF，TaRbohH在TaGCN5超表达株系中显著上调而在RNAi转基因株系中上调表达受到抑制。荧光素酶激活实验也表明TaGCN5可以促进这些基因的表达。染色体免疫共沉淀（ChIP）实验表明TaGCN5直接结合在三个基因启动子区并通过影响H3K9和H3K14乙酰化修饰水平，进而参与其在盐胁迫过程中的表达调控。此外，以拟南芥野生型Ws及其突变体gcn5为材料，发现突变体gcn5对盐胁迫极为敏感。发现GCN5蛋白直接调控CTL1、PGX3，MYB54基因表达进而通过影响细胞壁合成来提高植物耐盐性。此外，小麦TaGCN5基因可以显著恢复gcn5突变体对盐胁迫敏感的表型，说明在小麦和拟南芥中GCN5基因具有类似的生物学功能，也预示着GCN5在不同植物中对盐胁迫的响应是保守的。项目实施期间，根据研究计划执行并完成了相关研究内容，达到了预期目标。