空间飞行诱导的拟南芥表观遗传分析及细胞壁相关基因AtPMEPCRA的功能探究

雷克儿

重力作为一个地球上存在的恒定矢量，它对植物的生长非常重要。微重力处理是研究重力作用的方法之一。之前我们的研究发现在空间飞行60 h的拟南芥基因组DNA甲基化水平显著降低，而DNA甲基化的变化会传递到后代中，形成植物胁迫记忆。因此我们利用搭载实践十号返回式科学研究卫星在微重力环境下生长11 d的拟南芥幼苗返回地球后得到的子代，系统地研究了空间飞行对子代DNA甲基化、转录组及表型的潜在影响。我们对F1代进行了全基因组甲基化分析和转录组分析，结果显示尽管F1代的基因组DNA甲基化水平未有类似于在其亲本植物中观察到的显著差异，但也检测到一些DNA甲基化差异残留的印迹，说明空间飞行微重力引起的DNA甲基化差异可以遗传给子代；通过对DNA甲基化差异和基因表达差异的联合分析及GO和KEGG的富集分析，我们发现F1代中共同变化的81个基因集中在诸如ABA激活信号途径、蛋白磷酸化和硝酸盐信号途径等方面。在F1代中我们观察到空间飞行会引起植物根长增加、早花等生长差异，其中根长增加这一表型在F2代中仍有保留，说明这些表观遗传的DNA甲基化修饰可能被部分保留并导致后代出现表型差异。我们在81个基因中选择了一些在F2代中通过重亚硫酸盐测序和实时荧光定量PCR的方法对其甲基化水平差异区域的DNA甲基化水平和基因表达量进行验证，发现光合相关基因LHCA1、硝酸盐信号参与基因TGA4和TGA1在F2代中基因表达量和DNA甲基化水平呈负相关。其中TGA4和TGA1的表达量显著增加，说明这两个硝酸盐信号基因可能参与了促进空间飞行组后代氮吸收和生长。作为空间实验的地面后续实验，我们发现空间飞行引起的表观遗传修饰的变化影响了两代种子的生长，这项研究将有助于更好地理解植物对空间飞行环境的适应机制。 除了空间飞行微重力对植物的影响，我们也对地面模拟微重力情况下筛选出的细胞壁相关基因AtPMEPCRA和AtXTH12的功能做了些探究实验。在3D回转器的处理下，AtPMEPCRA和AtXTH12的表达量分别下降了近3和10倍。因此我们利用这两个基因的功能缺失突变体，在向重性生长、金属离子胁迫及病原菌侵染等方面进行研究，发现pmepcra突变体对铝有较强的抗性，铝几乎不会抑制pmepcra突变体根的生长，病原菌Pst DC3000处理会使pmepcra突变体的叶片积累更多的活性氧，这些极可能是通过调节PME活性、改变细胞壁主要成分的结构来实现的；然而在根和茎的向重性处理中pmepcra突变体的生长与Col-0无显著差异，则说明植物感受重力刺激后发生弯曲生长的过程可能由多个PME基因协同作用调控。