水稻Osrdr1突变体在非生物胁迫条件下产生表型变异的表观遗传调控机制研究

In previous studies, we found loss-of-function of the OsRDR1(RNA-Dependent RNA Polymerase 1) caused locus-specific changes in DNA methylation, small RNA clusters expression and >1000 genes expression variation across rice genome, meanwhile, there were no phenotype variation between wide type and mutant under normal condition. However, phenotype variation obviously were happened under four different abiotic stress(salt, heavy metal Cu2+, heavy metal Hg2+, overdose NO). Based on these previous results, we will use strategy including phenotype surveys, high-throughput sequencing and Bisulphite sequencing in this project to get insight into the molecular mechanism of phenotype variation between mutant and wide type under abiotic stresses. We will also investigate if the phenotype variation and molecular regulated mechanism(DNA methylation, small RNA expression and gene expression alteration) would be transmitted to progenies from self-cross, if so, to discuss the molecular regulated level under different stresses. It is expected that results of this project will support valuable biological information of function of OsRDR1 gene, which would be provided novel clues for study on the relationship between DNA methylation, small RNA expression, gene expression and phenotype variation.

我们前期研究表明，水稻OsRDR1（RNA-Dependent RNA Polymerase 1）基因功能缺失突变诱导位点特异DNA甲基化变异，区域小RNA（包括21和24nt） 丰度改变以及 >1000个基因的表达改变；但在正常生长条件下Osrdr1突变体与其野生型比较没有发生明显的表型变异。然而在四种不同非生物胁迫（盐、重金属铜、重金属汞、过量NO）条件下产生了显著的表型变异。本项目拟在此基础上，通过表型测量、高通量测序等实验手段，研究Osrdr1在不同的非生物胁迫条件下发生不同表型变异的分子机制。同时，研究表型变异及其相应的分子水平变化（如DNA甲基化变异、小RNA和基因表达改变）在去掉胁迫后是否以及在何种程度上可以遗传给自交后代。本研究结果为进一步阐明水稻OsRDR1的生物学功能提供有价值信息，并可能从一个新颖的角度揭示DNA甲基化、小RNA、基因表达和生物学表型之间的关系。

本课题整体按照研究计划进行，同时在参考了近两年陆续发表有关不同胁迫下水稻变异分子机理的研究的基础上，结合最新的基因组重测序技术和转录组测序技术，对部分研究内容进行了更新和调整，在原有研究内容的基础上，完成了以下3个部分内容的研究：第一，不同非生物胁迫引起水稻一目惚（Hitomebore）Osrdr1突变体不同世代间表型变异及部分基因表达变异的研究；第二，组织培养引起水稻一目惚基因组范围内基因表达、DNA甲基化及小RNA表达变异的研究；第三，EMS（甲磺酸乙酯）诱导引起水稻一目惚表型变异和基因组范围内序列和基因表达变异的研究。我们发现以下结果：（1）水稻栽培型一目惚Osrdr1突变体在四种非生物胁迫下（重金属铜、重金属汞、一氧化氮和盐），幼苗期表型变异明显，但是随着胁迫的去除，在正常生长条件下，表型逐渐恢复，并且对子一代和子二代表型的并无影响；基因在不同胁迫下表达变异明显，但是在不同世代间并无规律。（2）非生物胁迫下Osrdr1突变体和及其“野生型”之间变异不明显，但是分析过程中发现，这些组织培养再生苗和正常生长的野生型相比DNA甲基化、小RNA表达及基因表达均具有重要差异，且在不同非生物胁迫条件下表现型发生变异。（3）利用强化学诱变剂EMS诱导一目惚野生型，产生不同类型的表型变异，如植株矮化、易感病、结实少等明显变化，经过从M1至M3的种植，发现这些变异在一目惚整个生长期稳定存在且在不同世代间稳定遗传，表型变异程度明显高于其他非生物胁迫诱变条件，基因组重测序结果发现在EMS诱导下，一目惚基因组内单碱基核苷酸多态性（SNPs）变异明显。利用转录组测序进行基因表达检测，实验结果证实基因表达变异明显。这三个方面的实验都是对水稻响应不同胁迫的变化及其分子机理的探索，也是申请人一直以来致力于研究的方面，为深入研究奠定工作基础。