组蛋白H3K27me3修饰对水稻花粉发育的调控机理研究

Seed setting rate is one of the most important agronomical trait that contributes directly to grain productivity, and the normal pollen development is directly related to seed setting rate and yield of rice. However, the molecular mechanisms of how to regulate the pollen development remain unclear. Histone methylation plays an important role in the regulation of gene expression. In previous work, we identified a histone H3K27 methytransferase SDG711 , this gene plays an important role in several development stages of rice by adding repressive epigenetic marks H3K27me3 in target genes. When the expression of SDG711 is abnormal, anther development is also abnormal and pollen fertility significantly reduced. Further analysis will reveal that how H3K27me3 regulate the pollen development. In this project, we focus on identifying the function of SDG711 on regulation the pollen development by the high-throughput approaches to study the genome-wide binding sites of SDG711 and dynamic difference of gene expression and H3K27me3 level on pollen development-target genes in SDG711 transgenic plants and wildtype plants, to uncover the molecular mechanism of the epigenetic regulation in pollen development and identify some key genes related to pollen development.

结实率是直接与水稻产量相关的重要的农艺性状之一，而花粉的正常发育直接关系到水稻的结实率和产量，目前调控花粉发育的分子机制并不是十分清楚。组蛋白甲基化在调控基因表达等方面起着重要作用，在前期工作中，我们鉴定了一个具有组蛋白H3K27me3修饰酶活性的基因SDG711，该基因通过添加基因上的抑制基因表达的H3K27me3修饰在水稻的多个发育过程中都有着很重要的作用，我们发现SDG711在表达异常的情况下会造成花药发育异常、花粉育性降低等特点，为了更深入的研究H3K27me3对花粉发育的调控机制，本项目将以SDG711的突变体和转基因植株为材料，利用高通量测序分析等技术，从表观调控角度去探究水稻花粉发育的调控机理，解析水稻产量形成的表观调控机制；找出花粉发育的关键基因，为杂种优势在育种中的利用提供理论基础。

结实率是直接与水稻产量相关的重要的农艺性状之一，而花粉的正常发育直接关系到水稻的结实率和产量。本研究主要以组蛋白H3K27me3修饰酶基因SDG711的突变体和转基因植株以及野生型东京为材料，利用细胞学、半薄切片，原位杂交，RNA-seq、ChIP-seq等高通量测序以及生物信息学分析等技术，从表观调控角度去探究水稻花粉发育的调控机理，解析水稻产量形成的表观调控机制。.(1)本研究分离克隆了水稻组蛋白H3K27me3酶基因SDG711的启动子序列，构建了启动子与报告基因GUS融合的转化载体，并利用农杆菌介导的遗传转化方法将该载体转化到水稻粳稻品种中花11中，获得了有效应的稳定遗传的转化植株。通过GUS染色初步鉴定了SDG711的表达模式，SDG711是组成型表达，在水稻的各个组织器官都有表达，其中在花粉中表达量比较高。同时也进行花粉的SDG711基因的原位杂交实验，进一步证实在花粉中SDG711有较高的表达量。.(2)收集取样了SDG711的获得性突变体和抑制材料以及野生型东京的不同时期的花粉样本，碘染发现获得性突变体和抑制材料花粉育性较野生型显著降低，随后进行半薄切片处理，发现获得性突变体中花粉发育异常。.(3)将野生型DJ材料的不同发育时期花粉进行取样，进行RNA-seq测序，同时也取了相应时期的花粉进行交联，进行H3K27me3的ChIP-seq测序。.(4)对测序结果进行了质量检测分析，并将不同时期的花粉发育过程中具有H3K27me3修饰的基因分别找出，便于后续的分析比较。.(5)对不同发育时期的花粉测序结果进行比较分析显示H3K27me3修饰在花粉发育过程中有着很重要的调控作用，在花粉形成的两个重要时期包括小孢子发生时期和雄配子形成时期都具有调控功能，主要通过对相关重要基因进行H3K27me3修饰来调控相关基因的表达从而调节花粉的发育。.(6)后期对高通量数据寻找到的部分已知花粉发育相关基因在SDG711的超表达和抑制材料以及野生型材料中进行了表达量以及chip验证，找到了SDG711直接调控的基因。.(7)同时也对部分未知的候选基因进行了花粉中的表达模式分析，初步确定这些基因在花粉中的表达部位，并推断这些基因在花粉发育中有调控作用。