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植物維管發育表觀調控機制取得進展

時間:2020-07-09 作者: 點擊:0次


  北京大學生命科學學院錢偉強課題組聯合賀新強課題組,在Science Advances在線發表題為“Active DNA demethylation regulates tracheary element differentiation in Arabidopsis”的研究論文。該研究借助獨特的擬南芥管狀分子異位誘導系統VISUAL(Vascular Induced System Using Arabidopsis Leaves),通過一系列的甲基化組和轉錄組分析,確定了DNA主動去甲基化在維管發育中的作用,并揭示了木質部管狀分子分化的表觀遺傳調控機制。

  DNA甲基化(5-methylcytosine,5mC)是一種植物和動物保守的用來沉默轉座子并調節基因表達的表觀遺傳修飾。DNA甲基化模式可以通過DNA被動或主動去甲基化來改變,過去的研究證據表明,DNA去甲基化參與調節植物發育,但具體作用仍然知之甚少。在維管植物中,木質部負責水分運輸并提供機械支撐。木質部由管狀分子(tracheary element, TE)、薄壁組織細胞和纖維組成。TE的分化依賴復雜的轉錄因子調節網絡以確保木質部組織正常發育,盡管已有眾多發現,但表觀遺傳調控的機制(如DNA甲基化的變化)是否參與管狀分子分化尚不清楚。

  在TE分化過程中,全基因組范圍內DNA甲基化發生重編程:在近著絲粒區域的CHH類型DNA甲基化發現了廣泛的去甲基化,在基因組不同區域的CG、CHG和CHH序列中同樣發現了DNA去甲基化。雖然近著絲粒區域甲基化的降低是被動發生的,但基因組中分散區域的DNA去甲基化依賴于由DNA糖基化酶ROS1、DML2和DML3(簡稱RDD)引發的DNA主動去甲基化。重要的是,遺傳分析表明,在DNA去甲基化酶的三突變體(rdd-2)中,體外系統發現TE分化過程會收到損傷,并在體內實驗表明(擬南芥幼苗的根中)引起有木質部發育缺陷的表型,并且通過敲除RdDM途徑的核心蛋白復合體Pol IV和Pol V的關鍵亞基,能部分回復幼根的維管發育缺陷。DNA主動去甲基化靶向作用并調節TE分化相關的許多基因,rdd-2中木質部發育的缺陷是由多個基因的失調引起的。此外,對Col-0野生型和rdd突變體背景的TE分化過程甲基化組和轉錄組的綜合分析發現由DNA主動去甲基化調節的TE分化相關基因。本研究突出了RDD引發的DNA主動去甲基化在植物發育中的新功能,并提供了通過表觀遺傳調控機制調控TE分化的新見解。

  錢偉強研究員和賀新強教授為本論文的共同通訊作者,賀新強實驗室已畢業的林薇博士、錢偉強實驗室的孫林華博士為論文共同第一作者,鄧興旺課題組的何航副研究員、日本東京大學福田裕穗教授也為論文提供了寶貴意見,來自雙方實驗室的黃潤洲、梁文潔、劉心宇等多位博士生對此項工作作出了重要貢獻。

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