迄今为止,分布于世界各地的维管植物约有25-30万种。植物维管组织的出现提升了水分和无机盐的运输效率,这是植物能够适应陆生环境的重要原因之一。而维管植物厚壁细胞的次生壁加厚提供了机械支撑以及水分运输能力,是其能够直立生长以及适应干旱环境的重要保障。因此,解析维管植物次生壁的生物合成及其调控机制对于阐明植物系统演化具有重要的科学意义。现有研究表明,植物细胞次生壁加厚受到了NAC（NAM,ATAF,and CUC）和MYB等转录因子构成的转录调控网络的精细调控。尽管对次生壁合成的转录调控机制已有较多报道,但在茎发育过程中,次生壁合成的开关基因是怎么被精细调控的仍不清楚,亟需深入研究。桉树中的研究发现,次生壁合成的开关基因SND1在发育中的木质部存在H3K4me3（Histone H3 lysine 4 tri-methylation）富集的现象[1],暗示H3K4me3可能参与了次生壁生物合成的调控。但在茎发育过程中,H3K4me3修饰与次生壁生物合成之间到底存在何种联系,目前还不清楚。本论文以模式植物拟南芥（Arabidopsis thaliana）为研究材料,通过转录组测序和Ch IP-seq分析了拟南芥花序轴发育过程中次生壁相关基因H3K4me3修饰的变化与基因表达间的关系。并利用分子生物学和遗传学等多种手段,对拟南芥花序轴发育过程中H3K4me3修饰调控次生壁合成的分子机制进行了深入探究。本论文的主要研究内容如下:1)拟南芥花序轴维管组织发育的代表性阶段鉴定拟南芥花序轴发育过程中,纤维细胞的变化最为明显。根据纤维细胞的分化和次生壁的合成,将20 cm高的拟南芥花序轴维管组织的发育从花序轴顶端至基部分为4个阶段。第I阶段（0-3 cm）,只有离散的维管束,纤维细胞还未分化。第II阶段（5-7cm）,纤维细胞开始分化并开始次生壁沉积。第III阶段（10-12 cm）,纤维细胞分化基本完成并形成完整的环,且次生壁的加厚处于旺盛阶段。第IV阶段（18-20 cm）,纤维细胞次生壁的加厚已基本完成。2)花序轴发育过程中全基因组表达分析为了分析拟南芥花序轴发育过程中基因的表达变化,对第I阶段到第III段的材料进行了转录组测序。通过Short Time-series Expression Miner software（STEM）软件分析,将拟南芥花序轴发育过程中基因的表达模式分为了8类。与第I阶段相比,在拟南芥花序轴的发育早期（第II阶段）有3438个基因表达上调,4238个基因表达下调,只有754个和727个基因的表达在第III阶段才开始上调或下调。转录测序与切片结果表明,第I阶段到第II阶段是纤维细胞分化和次生壁合成起始的转变阶段。3)花序轴发育过程中H3K4me3修饰水平与基因表达水平关联性分析利用Ch IP-seq检测了拟南芥花序轴发育过程中（第I阶段到第II阶段）H3K4me3修饰水平的变化。从第I阶段到第II阶段,大部分基因的H3K4me3修饰水平显著降低,同时也有1042个基因位点的H3K4me3修饰出现了上调。其中,H3K4me3修饰上调的基因中有55.0%的基因其表达水平也发生了上调,而表达下调的基因只有0.04%。进一步对H3K4me3修饰上调和表达上调的基因进行GO分析发现,次生壁合成相关通路的基因有显著性的富集,包括次生壁合成的重要转录调控因子如NST1、SND1、SND2和MYB20等。这些结果表明,拟南芥花序轴发育过程中H3K4me3修饰促进了次生壁合成相关基因的表达。4)ATX1主要在花序轴束间纤维细胞表达为了探究花序轴发育过程中H3K4me3修饰是如何被建立和调控的?通过q RT-PCR和GUS染色对Trithorax（Trx）亚家族成员在花序轴中的表达模式进行了分析。结果显示,ATX1的转录水平从第II阶段开始上调,并主要在束间纤维表达,而Trx亚家族的其它成员均不在木质部细胞特异表达。5)ATX1促进束间纤维细胞次生壁的合成对Trx亚家族成员的突变体进行分析发现,atx1的突变体比WT更容易倒伏。切片观察发现,atx1的突变抑制了束间纤维细胞次生壁的加厚。同时,ATX1回复株系可以使纤维细胞次生壁的合成恢复到野生型水平。而超表达ATX1能够促进纤维细胞次生壁的加厚。次生壁组分含量检测发现,atx1突变体中木质素、纤维素和半纤维素含量显著降低,而超表达ATX1促进了木质素、纤维素和半纤维素的积累。此外,q RT-PCR的结果也表明,atx1的突变抑制了木质素、纤维素和木聚糖合成基因的表达。6)ATX1结合并调控NST1和SND1染色质H3K4me3修饰和表达对atx1-2和WT进行转录组测序和H3K4me3修饰Ch IP-seq发现,atx1突变体中有107个基因的H3K4me3修饰和表达水平同时显著下调,其中有26个基因位点的H3K4me3修饰和表达水平在拟南芥花序轴发育过程中也显著上调,包括纤维细胞次生壁合成的开关基因NST1和SND1。同时,Ch IP-q PCR结果显示,ATX1能与NST1和SND1染色质结合。7)ATX1在花序轴发育过程中对NST1和SND1的调控Ch IP-q PCR结果显示,在花序轴发育过程中ATX1与NST1和SND1染色质的结合逐渐增加。且与第I阶段相比,NST1和SND1位点的H3K4me3修饰和表达水平在第II阶段和第III阶段都显著上调,而在atx1突变体中NST1和SND1位点H3K4me3修饰和表达水平的上调均受到了显著性抑制,表明ATX1在花序轴发育过程中调控了NST1和SND1的H3K4me3修饰和表达。8)ATX1主要通过NST1和SND1调控束间纤维细胞次生壁合成已有研究表明,snd1 nst1双突变会导致束间纤维细胞次生壁出现缺失。为了验证ATX1是否通过NST1和SND1调控了次生壁的合成,在snd1 nst1双突变体中超表达了ATX1。解剖学观察发现,在WT中超表达ATX1能够促进次生壁合成,但在snd1 nst1双突变体中超表达ATX1不能促进次生壁合成,表明ATX1对于次生壁合成的调控需要依赖NST1和SND1功能的完整。此外,在atx1-2中回转NST1和SND1能使束间纤维次生壁的厚度恢复至野生型水平,表明ATX1主要通过NST1和SND1调控了束间纤维细胞次生壁的合成。综上所述,H3K4me3修饰参与了拟南芥花序轴发育过程中次生壁合成的调控。其中,H3K4me3甲基转移酶ATX1主要通过促进NST1和SND1位点H3K4me3修饰的积累和表达从而激活束间纤维细胞次生壁的合成。