细胞分裂素诱导拟南芥愈伤组织分化中的染色质景观变化

Previous studies suggest that the callus differentiation and organogenesis might be impacted by the changes of chromatin structure associated with histone modifications and the binding of other non-histone proteins, but the mechanisms underlying are still unclear. In this study, we plan to induce the formation of buds by cytokinin in the callus of Arabidopsis thaliana. We will map the key histone modifications by ChIP-seq (Chromatin ImmunoPrecipitation-sequencing) in those materials (cellus, and the differentiated callus committed to the formation of new buds), reveal the dynamic chromatin landscapes during the initiation of callus differentiation; and screen for the genes with changed chromatin structure. Furthermore, we will compare the chromatin landscape to the transcriptome, and study its association with the changes of gene transcription levels, to explore the possible regulatory roles of chromatin structure in the early stage of differentiation. Lastly, we will screen for new genes essential for the initiation of buds by the information of chromatin structure and RNA transcriptome, to illustrate the mechanisms in development and differentiation. The success of this study also will provide new molecular tools to improve in vitro propagation and transformation in plants.

初步研究表明，植物的愈伤组织分化和器官建成过程，可能与一系列与组蛋白修饰和非组蛋白结合相关的染色质结构变化密切相关，但染色质景观的调控机制还不明确。本研究拟在拟南芥离体培养体系中，利用细胞分裂素诱导愈伤组织向芽定向分化。以此为材料，结合染色质免疫共沉淀和高通量测序技术，在愈伤组织及被细胞分裂素诱导向芽定向分化的早期组织中，绘制拟南芥全基因组组蛋白修饰图谱，以研究在愈伤组织分化的早期染色质景观的变化；筛选出染色质结构发生变化的基因，探讨其可能的功能。并进一步结合RNA转录组信息，一方面研究染色质结构与基因表达水平的相关性，解析染色质结构对分化早期调控事件的可能作用机制；另一方面，以染色质景观为主，结合转录组的信息，筛选出在愈伤组织分化早期可能起重要作用的新的调控基因，阐述与细胞分裂素诱导愈伤组织分化成芽相关的分子机制。该研究的成功也将为大幅度提高植物快繁和遗传转化效率提供新的分子工具。

提高外植体愈伤形成和芽再生的能力是提升植物快繁和遗传转化效率的核心问题。初步研究表明，植物的愈伤组织分化和器官建成过程，可能与DNA甲基化及组蛋白修饰密切相关。组蛋白去乙酰化酶（HDACs）参与植物生长发育、抗逆反应等生理过程，但其在愈伤形成和芽再生过程中的作用还不明确。拟南芥根外植体的离体芽再生两步培养法是研究离体芽再生的模式体系，涉及植物激素相互作用，信号传导，转录调控等生理过程。本项目以此为材料，对去乙酰化酶的调控作用进行了研究。我们的研究表明， 组蛋白去乙酰化酶抑制剂（Trichostatin A, TSA）在愈伤诱导培养基（CIM）中的添加能显著影响愈伤形成和芽的定向分化，并部分替代激素的作用。对组蛋白去乙酰化酶突变体愈伤形成研究发现，hda6突变体愈伤显著增大，与TSA处理的作用一致。利用转录组测序和分析，发现TSA改变了各类激素生物合成、失活及信号途径基因表达，并显著提高了愈伤形成相关基因如LBD29，KRP7，及芽再生相关基因如PAP1，CUC2，IAA5，PIN6的表达量。结合染色质免疫共沉淀，对关键基因启动子区域组H3ac及H4ac的组蛋白乙酰化水平分析发现，CIM中施加TSA，能显著提高LBD29，KRP7，ADPG1，EXP7和RSL等基因的乙酰化水平。可见，去乙酰化酶可能通过直接调控转录因子和关键效应基因表达而调控愈伤形成和芽再生过程。.本项目执行期间经费使用合理，研究进展良好，截止到结题，发表SCI论文2篇，核心研究成果在投文章1篇，均为本基金第一标注，申请人担任论文通讯作者，完成了预期研究目标。