论文部分内容阅读
高等植物的胚胎发生过程产生了植物中两大重要的分生组织:茎顶端分生组织（shoot apical meristem,SAM）和根顶端分生组织（root apical meristem,RAM）。由SAM发育而来的地上部分例如叶片、茎秆、腋芽和果实等组织器官占据了植物体的大部分体积,是植物形态建成、光合作用、感知生物和非生物胁迫等事件的重要执行者。而由RAM发育而来的根和根系则为植物体自身的固着、水分和营养物质的吸收提供了支撑。SAM和RAM的正确形成与维持直接影响着植物整体的发育,因此研究植物,尤其是作物中SAM和RAM发育的调控机制就显得非常的必要。水稻WOX11是同源异型盒蛋白WOX家族的成员,前人的研究表明WOX11促进了水稻冠根的发育。在对WOX11调控水稻冠根发育的进一步研究中,我们发现WOX11也是调控SAM发育的重要因子。通过组织切片发现WOX11的缺失使得水稻SAM大小变小,而超表达WOX11后SAM变得扁平。WOX11的缺失或者超表达均影响了水稻的苗端发育,并改变了植株对外源油菜素甾醇（BR）的应答。为了发掘WOX11调控SAM发育的作用机理,通过酵母双杂交的方法筛选到了与WOX11相互作用的组蛋白去甲基化酶——JMJ705。研究表明JM705与WOX11协同调控了SAM的发育。为了从全基因组水平筛选WOX11与JMJ705共同调控的下游基因并阐述两者调控下游基因的作用机理,运用RNA-sequencing（RNA-seq）的方法对WOX11和JMJ705突变体的顶端以及各自超表达植株的幼苗进行了高通量测序。数据分析后发现WOX11和JMJ705共同激活了具有H3K27me3修饰的基因的表达,且这些基因参与了水稻SAM发育过程中的能量代谢、光诱导的叶绿体发育和激素信号转导等过程。从测序数据中挑选了同时被ox WOX11和ox JMJ705激活,且参与激素响应、物质代谢和逆境应答的基因进行了表达量、WOX11和JMJ705蛋白富集程度及组蛋白H3K27me3修饰程度的检验,发现WOX11和JMJ705激活了这些基因的表达,且WOX11和JMJ705的突变特异地降低了这些基因在SAM中的表达量。染色质免疫沉淀结果表明WOX11和JMJ705可以结合到这些基因上,并由JMJ705对其进行H3K27me3去甲基化。进一步研究发现,WOX11的突变降低了JMJ705在只含有WOX11结合位点的基因上的富集程度;在同时具有WOX11和JMJ705结合位点的基因上,WOX11的突变削弱了JMJ705对基因上包含WOX11结合位点的结合能力,并改变了JMJ705在自身结合位点的富集水平。而当JMJ705突变后,WOX11在某些仅具有WOX11结合位点的基因上的富集是显著降低的,暗示着JMJ705有可能通过改变WOX11下游基因上的染色质状态进而影响了WOX11对靶基因的结合。另一方面,为了进一步研究WOX11在水稻冠根发育中的作用,在前人的研究基础之上,对一个WOX11的互作蛋白——AP2类转录因子ERF3进行了深入研究。发现ERF3在冠根发育过程中表达且受生长素和细胞分裂素的诱导,对水稻主根的伸长和冠根的起始有促进作用。在冠根起始发育过程中,ERF3可以直接结合到细胞分裂素应答因子RR2上激活了RR2的表达,从而促进冠根的起始。而在已经形成的冠根中,WOX11的表达开始出现,此时ERF3与WOX11的相互作用促进了WOX11对RR2的结合,进而促进了细胞分裂素信号的传递从而抑制了冠根的伸长。由于WOX11突变体的RNA-seq数据中差异基因在逆境应答过程中富集,推测那些经由根或根系介导的逆境过程可能是受WOX11调控的。对wox11突变体根系结构的研究表明WOX11也影响了根毛的发育。突变体在干旱胁迫条件下失水速率增快,田间孕穗期对干旱胁迫敏感,可能是由WOX11的根系发育缺陷造成的。此外,WOX11的突变还减弱了JA应答基因在JA诱导下的应答幅度。除了调控SAM和根系的发育之外,还发现WOX11参与了水稻胚乳的发育。研究表明WOX11对AFL类基因存在正向调控关系。由于WOX11超表达和缺失对水稻发育产生了重要影响,因此限定WOX11这一同源异型盒基因的表达是十分重要的。为此从表观遗传学的角度阐述了WOX11自身的表达调控机制,发现WOX11在分化程度或成熟程度高的组织中被抑制与在这些组织中WOX11启动子区域较高的H3K27me3修饰和较高的DNA甲基化水平是密切相关的。进一步鉴定到在成熟叶片中WOX11的表达被激活的两个基因的突变体,dmt706和ddm1。全基因组亚硫酸氢盐测序结果显示WOX11启动子区一个包含反转座子和MITE转座子的位点上的DNA甲基化是成熟叶片中WOX11的表达受抑制的主要原因,且这一位点上的DNA甲基化尤其是CHG和CHH类的甲基化是受DMT706和DDM1调控的,当这两个基因突变之后,WOX11启动子区反转座子和MITE转座子上的DNA甲基化程度是降低的。