PHO1基因家族包含11个成员,分别被命名为PHO1及PHO1;H1-H10,它们的蛋白质序列中均含有SPX和EXS两个功能结构域。Ribot等人研究发现,拟南芥PHO1;H10基因受多种生物和非生物逆境胁迫调控,包括机械损伤、干旱、冷害、高盐、病原菌侵染等,另外,该基因也受脱落酸(ABA)和茉莉酸(JA)前体物质12-氧-植物二烯酸(OPDA)诱导表达。许多拟南芥转录组数据表明,PHO1;H10基因可能参与到逆境胁迫及植物激素代谢和信号转导过程中,如水分胁迫(如渗透、干旱和盐胁迫等)、紫外线胁迫等逆境胁迫、ABA和水杨酸(SA)的信号通路等。但是,关于PHO1:H10基因表达的分子调控机制的进一步探索和对其功能的具体实验验证目前还少见报道。为此,本研究运用生物信息学平台和分析手段进行多种组学的数据挖掘,对PHO1;H10的表达调控机制和基因功能进行了探索和预测,并通过分子生物学和遗传学等方法对PHO1;H10基因的可能功能进行了初步实验验证。首先,通过在拟南芥顺式作用元件平台上进行分析发现,PHO1;H10基因的启动子区域包含许多与ABA响应相关的ABRE类的顺式作用元件、干旱响应相关的顺式作用元件如ACGTATERD1等。进而,利用本实验室研发的植物表观基因组数据整合平台(PCSD)对该基因的染色质状态进行了初步探索,尤其是利用高通量ChIP-seq数据对转录因子结合位点进行深度挖掘发现,PHO1;H10基因的启动子区域存在一系列转录因子如ABI5、HY5、SPCH等的结合位点。ABI5是ABA信号途径中的一个关键转录因子,可以结合PHO1:H10启动子上的ABRE顺式作用元件;HY5是在光信号转导过程中起重要作用的系统性光信号蛋白,HY5参与调控ABI5基因表达,提示PHO1;H10基因可能同时受光信号和ABA信号调控;SPCH(SPEECHLESS)是调控气孔发育的关键转录因子。众所周知,基因表达与转录因子的调控密切相关。利用拟南芥基因表达谱浏览器发现,在ABA处理条件下,PHO1;H10基因表达被诱导,尤其在保卫细胞中该基因的表达量被ABA处理显著诱导,另外,PHO1;H10基因在衰老叶片及花的萼片中表达量明显高于其它组织。同时,利用拟南芥基因共表达平台,还构建了PHO1;H10基因的共表达网络,发现与该基因存在共表达关系的基因中,ABA和干旱响应等相关的GO词条显著富集,表明PHO1;H10基因可能参与了 ABA和干旱等信号转导途径。进一步进行了PHO1;H10基因功能的验证。筛选了PHO1;H10基因的纯合突变体,构建了转基因互补和过表达材料,并进行一系列相关实验研究。通过在种子萌发过程中进行ABA处理发现,突变体对ABA的抑制作用更敏感,表明PHO1;H10基因在ABA抑制种子萌发过程中可能起负调控作用;通过土壤干旱实验发现,基因的过表达和互补材料以及野生型在干旱条件下的存活率要高于突变体,这表明PHO1;H10基因与植株的耐旱性密切相关;对子叶表皮细胞进行观察,发现过表达和互补材料的叶片背面表皮气孔数目相对于野生型和突变体明显减少了,正面气孔数目变化不明显,这表明PHO1;H10基因可能会抑制气孔的形成过程。利用红外热成像系统对干旱处理1周的突变体、野生型和过表达植株进行拍照观察,发现突变体叶表温度明显低于野生型和过表达株系。为了研究PHO1;H10基因可能参与的调控通路和影响下游鉴因的表达情况,利用拟南芥ATH1基因芯片进行了初步的转录组分析,分别比较正常条件和聚乙二醇(PEG)处理下拟南芥野生型和突变体之间的基因表达差异。正常生长条件下,突变体植株中下调表达基因178个,上调表达基因324个;PEG处理6小时条件下,突变体植株中下调表达基因104个,上调表达基因只有24个。对这些在突变体中表达下调的基因如进行GO富集分析发现,响应逆境胁迫和激素信号等词条明显富集,这可能与突变体的防御反应能力较野生型有所下降有关。综上所述,我们利用多维组学数据分析平台,包括基因组、转录组、表观基因组等,结合顺式作用元件、共表达网络和功能注释分析,挖掘和预测了拟南芥PHO1;H10的功能,探索了PHO1;H10的转录调控机制。通过野生型、突变体和转基因植株的表型和基因表达谱分析,初步验证了PHO1;H10基因可能与ABA抑制种子萌发、干旱逆境抗性、气孔发育等相关。另外,在本研究中所展示的系统生物学的研究为基因功能的数据挖掘提供了思路上的借鉴。