拟南芥组蛋白去乙酰化酶HDA15调控种子萌发的分子机制研究

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光作为重要的环境信号因子,影响到植物生长发育的进程。植物通过光受体,包括光敏色素、隐花色素、向光素和UVR8等感受光的强度、质量和方向,通过调控下游的转录因子的活性以及光响应基因的表达,从而调控植物的发育过程。  种子根据萌发需光与否分为需光种子与不需光种子。在以拟南芥为代表的需光种子中研究发现,光敏色素PHYB在光依赖的种子萌发过程中起到重要的作用。进一步研究发现,PHYB部分通过抑制光敏色素互作蛋白PIF1促进种子萌发,然而,PHYB-PIF1介导的转录调控机制仍不明晰。  表观遗传学是研究DNA序列未发生改变,由染色质变化所引起的稳定遗传表型的学科。其中组蛋白的乙酰化和去乙酰化在基因表达调控中起主导作用。研究发现,HDACs参与多种发育途径。然而对HDACs参与光调控种子萌发的表观遗传机制尚未报道。  本研究发现组蛋白去乙酰化酶HDA15是PHYB依赖的种子萌发中的负调控者。拟南芥超表达HDA15抑制PHYB依赖的种子萌发,而HDA15功能缺失促进PHYB依赖的种子萌发。遗传证据表明,HDA15作用于PHYB下游并依赖PIF1抑制种子萌发。进一步研究表明,HDA15蛋白和PIF1蛋白在体内外均存在互作。全基因组转录组分析表明,HDA15和PIF1共同调控黑暗中萌发种子的光响应基因表达,这些基因参与多种植物激素信号途径以及细胞进程。此外,黑暗(或远红光)中,PIF1招募HDA15至目的基因启动子区,通过降低目的基因组蛋白H3乙酰化水平抑制其表达,从而抑制种子的萌发;而在强光(或红光)下,HDA15-PIF1模块从目的基因上解离,萌发抑制解除,种子正常萌发。综上所述,我们的结果揭示HDA15-PIF1作为关键的转录抑制模块指导了种子的萌发过程。  首先,本研究明确了组蛋白去乙酰化修饰在光调控种子萌发过程中的作用机制。其次,本研究鉴定了HDA15-PIF1作为关键抑制模块指导种子萌发相关基因的转录调控。再次,本研究进一步完善了光起始种子萌发中的PHYB-PIF1转录调控网络,丰富了种子萌发调控的理论机制。本研究为指导农业生产,提高作物的种子萌发率,提供了重要的理论基础。
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