水稻抗旱表观性状的遗传及其参与抗旱的分子机制

Epigenetics is the study of heritable changes in gene expression caused by mechanisms other than changes in the underlying DNA sequence. Epigenetic changes include DNA methyaltion, histone modification, and gene silencing mediated by small RNAs. Lots of evidence showed that environmental stresses could cause alterations of epigenetic traits, especially DNA methylation. However, the inheritance of DNA methylation changes resulted from abiotic stresses and its underlying molecular mechanism need to be further elucidated. In this proposal, the MeDIP, a high-throughput technique of DNA methylation analysis platform, is going to be used to profile the genome-wide DNA methylation changes in rice under drought stress. The main objectives of this study are to identify the stable inherited epigenetic loci related to drought tolerance by comparative analysis of genome-wide DNA methylation loci between generations. Meanwhile, the acclimation effect of stress-induced epigenetic traits will be analyzed by successive drought stress of two generations. Finally we can dissect the molecular mechanism of these inherited DNA methylation loci involved in rice drought tolerance combined with functional identification of key genes with epigenetic alteration and bioinformatics analysis of transcriptome and small RNA data.

表观遗传是指不因DNA序列变化而发生基因功能改变并最终导致表型变化，主要包括DNA甲基化、组蛋白乙酰化以及小RNA介导的基因沉默等等。大量研究表明环境胁迫会导致作物发生表观遗传变化，其中最主要的是DNA甲基化状态的改变。但是目前胁迫诱导产生的DNA甲基化变化是否能世代传递以及参与抗逆的分子机制尚不清楚。本项目拟采用高通量DNA甲基化分析MeDIP技术平台，研究水稻干旱胁迫过程中全基因组DNA甲基化变化（甲基化或去甲基化）特征，发现胁迫诱导DNA甲基化变化位点/簇群；通过抗旱导入系与轮回亲本的不同世代旱胁迫DNA甲基化变化位点/DMR比较分析，鉴定能稳定遗传的抗旱相关表遗传位点；并采用连续世代干旱胁迫研究表遗传变化的胁迫强化效应；结合抗旱导入系表达谱数据分析、小分子RNA以及重点特异表遗传位点的相应基因功能分析，全面系统解析抗旱胁迫相关表观遗传调控的分子机理。

表观遗传是指不因DNA 序列变化而发生基因功能改变并最终导致表型变化，主要包括DNA 甲基化、组蛋白乙酰化以及小RNA 介导的基因沉默等等。大量研究表明环境胁迫会导致作物发生表观遗传变化，其中最主要的是DNA 甲基化状态的改变。但是目前胁迫诱导产生的DNA 甲基化变化是否能世代传递以及参与抗逆的分子机制尚不清楚。本研究项目采用DNA甲基化免疫沉淀测序（MeDIP）技术平台，全面完成抗旱导入系DK151及轮回亲本IR64在干旱胁迫及对照条件下全基因组DNA甲基化变化位点检测，对基因型特异的旱胁迫诱导的显著差异变化DNA甲基化位点及其对应基因功能进行了分析。结果发现外源基因组DNA片段的导入会引起受体全基因组范围DNA甲基化状态的改变，而且这种改变可能与受体非生物抗性/抗旱性的改善有关；干旱胁迫诱导产生基因型特异的DNA甲基化状态的改变，且抗旱导入系的旱胁迫相关差异DNA甲基化区域对应基因主要与抗逆反应相关；DNA甲基化变化与基因表达的关系相当复杂，仅仅一小部分DNA甲基化变化与基因表达成正/负相关，推测DNA甲基化通过多种途径或方式参与水稻抗旱的表观遗传调控。. 采用MeDIP技术分析了干旱胁迫二代（G2）以及干旱胁迫三代（G3）DK151在胁迫及对照条件下的DNA甲基化状态，发现一系列在世代间能稳定遗传的差异DNA甲基化位点，对其关联基因功能进行初步分析，发现甲基化状态变化能稳定遗传位点对应的基因主要功能集中于转录后调控，间接说明DNA甲基化对基因表达水平的影响是间接的。进一步应用高通量小分子RNA测序技术，分析了抗旱导入系DK151及轮回亲本IR64在旱胁迫及对照条件下的小分子RNA丰度，在抗旱导入系DK151中鉴定了29个特异的与抗旱相关的miRNA。采用基因超表达及基因敲除手段对这些miRNA进行抗旱功能研究仍然有待进一步深入。