虫害是造成农作物减产的重要原因之一,过量使用农药使得害虫产生了极高的抗药性,并引起了严重的环境污染和食品安全隐患等问题。因此提高作物自身对虫害的抗性是有效抑制农作物虫害以及减少农药施用的理想途径,深入探究植物抗虫机制对作物抗虫育种及农业可持续性发展具有重要意义。包括虫害在内的多种环境胁迫均可引起植物表观修饰的改变,一系列研究逐步揭示了植物响应病原菌侵染、干旱、盐胁迫等环境胁迫的表观遗传基础,但是植物对虫害响应的表观调控机制尚不清楚。组蛋白甲基化修饰是非常重要的一种表观遗传修饰,参与植物生长发育与逆境响应等过程并起着非常重要的调控作用。为研究组蛋白去甲基化修饰在植物虫害胁迫响应过程中的功能,本课题利用转录组学、分子生物学、生物化学等分析手段对H3K9me1/2去甲基化酶JMJ27在植物虫害响应过程中的调控机理进行研究。本研究利用拟南芥H3K9me1/2组蛋白去甲基化酶JMJ27的突变体和过表达材料,通过斜纹夜蛾幼虫对拟南芥取食后的表型观察,发现JMJ27突变增强拟南芥对斜纹夜蛾幼虫的抗性,而过表达JMJ27植株减弱对斜纹夜蛾幼虫的抗性,说明JMJ27负调控拟南芥对虫害响应的抗性。互补实验发现,JMJ27全长植株p JMJ27:JMJ27-HA能互补突变体jmj27的抗虫表型,而JMJ27组蛋白去甲基化酶活性缺失的互补植株p JMJ27:JMJ27m-HA不能恢复其抗虫表型,说明JMJ27负调控植物的虫害响应依赖于JMJ27的H3K9me1/2去甲基化酶活性。对虫害响应基因的表达检测表明,JMJ27突变激活VSP1、VSP2基因的表达,而抑制PR1、PR5、WRKY54、WRKY70的表达。转录组分析进一步表明,JMJ27突变主要影响一些JA、SA通路上的防御响应基因的表达,表明JMJ27在虫害胁迫下通过调节JA、SA等植物激素信号转导来响应植物虫害胁迫。通过Ch IP-q PCR对JMJ27调控的虫害响应基因进行H3K9me2修饰检测,正常条件下,JMJ27能够显著降低虫害响应基因的H3K9me2修饰,从而保持虫害响应基因的本底表达;当虫害处理后,H3K9me2修饰降低,激活虫害响应基因的表达;JMJ27分别通过降低和增加H3K9me2修饰来促进和抑制防御基因对虫害的响应。进一步对下调的虫害响应基因进行Ch IPq PCR检测,发现JMJ27能直接结合于PR1、PR5、ATLTP4.4基因序列,表明在虫害条件下JMJ27通过与靶基因PR1、PR5、ATLTP4.4序列结合来去除H3K9me2修饰从而激活其表达。此外,基因和蛋白表达检测表明虫害处理抑制JMJ27的转录和蛋白积累,并且Ch IP-q PCR检测显示虫害处理能在一定程度上抑制JMJ27对PR1、PR5、ATLTP4.4序列的结合,说明植物通过某种方式减弱负调控因子JMJ27对虫害的响应,从而积极应对抗虫响应。另一方面,通过基因表达检测发现组蛋白H3K9甲基转移酶突变体suvh4/5/6也显著影响虫害响应基因的表达,且其在影响这类基因表达上与jmj27中作用相反,说明在虫害响应基因的表达上SVUH4/5/6与JMJ27起拮抗调控作用,但suvh4/5/6对斜纹夜蛾的取食并未表现显著表型。综上所述,本研究表明H3K9me2去甲基化酶JMJ27通过直接或间接去除虫害响应基因的H3K9me2修饰而调控基因表达,从而负调控植物的虫害响应。本研究证实了组蛋白甲基化修饰在植物虫害胁迫响应中具有重要的调控功能,及初步探索了H3K9me2去甲基化酶JMJ27调控植物虫害响应的分子机理,为深入研究H3K9me2修饰调控虫害响应的分子机制奠定基础。