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水稻是全球最重要粮食作物,为世界上50%的人口提供口粮。目前非生物胁迫仍然是农作物可持续生产需要解决的重要问题。组蛋白去乙酰化酶(HDAC)在植物的正常生长发育、逆境响应和细胞调控过程中起着重要的作用。在拟南芥中HDACs的生物学功能已经有了广泛的研究,但是在水稻中大多数HDAC在生长发育、逆境胁迫和生物抗性等方面的功能还不是非常清楚。对HDAC分子机制的深入研究有助于我们通过基因工程来改良作物。本研究通过对HDA710的进化关系、亚细胞定位、转基因植株的表型、组蛋白乙酰化酶活性、表达分析以及对ABA、干旱和盐胁迫的响应等方面展开研究,探讨了HDA710参与水稻在抗盐胁迫中的分子机制。主要结果如下:
1.表达谱分析表明,在正常生长条件下除愈伤组织和根系外,HDA710在植株的大部分组织如茎、节间、穗部和雌蕊等的表达量较低。然而,HDA710在盐胁迫、干旱、暗处理和淹水条件下均可诱导表达,其中盐胁迫下的表达最为明显。此外,在脱落酸(ABA)、茉莉酸(JA)、GA3、2,4-D和NAA等植物激素的作用下,也能诱导HDA710的表达。
2.利用CRISPR/Cas9系统构建了HDA710基因敲除突变体(hda710-1和hda710-2),并利用Pcambia1301载体构建了其超表达植株(Ubi+HDA710CDS)。表型观察表明,HDA710超表达材料苗期生长速度较野生型慢,株高变矮;而hda710突变体的株高与野生型相比没有显著差异,但在成熟期的结实率明显低于野生型。
3.利用水稻原生质体和烟草叶片对HDA710的亚细胞定位分析表明,HDA710主要分布在细胞核和细胞质中。
4.Westernblot分析表明,HDA710可去除水稻组蛋白H3和H4的乙酰化修饰。突变HDA710则导致组蛋白H3和H4的乙酰化修饰水平显著提高,而超表达HDA710则导致组蛋白H3和H4的乙酰化修饰水平显著降低。进一步分析发现,HDA710能特异性地去除组蛋白H4K5和H4K16的乙酰化修饰。
5.在干旱和盐胁迫下,hda710突变体植株表现出较强的抗性,而超表达植株则较为敏感。
6.为了研究HDA710在ABA信号转导途径中的作用,对hda710突变体和超表达植株进行ABA处理。结果表明,与野生型相比,hda710突变体的敏感性较野生型低,而超表达植株对ABA高度敏感。此外,ABA对突变体和超表达材料的种子萌发率也有影响。其中hda710种子对ABA不敏感,在含有ABA的培养基上发芽率正常,而超表达材料的种子对ABA表现出较高的敏感性和较低的发芽率。
7.ABA处理和盐胁迫下,对hda710突变体植株中的胁迫响应基因的表达分析表明,与野生型相比,突变体中OsLEA3、OsABI5、OsbZIP72和OsNHX1的表达水平显著上调;同时在ABA和盐胁迫下,这些基因在hda710突变体中其启动子区的组蛋白H4乙酰化水平与野生型相比较高。
综上所述,本研究表明,水稻RPD3/HDA1家族蛋白HDA710/OSHDA2通过ABA信号通路对盐胁迫的响应中起关键的调节作用。总的来说,本研究表明HDA710在水稻生长发育和胁迫响应中起着重要的调控作用,同时进一步加深了对水稻不同生物学过程的表观调控的认识,为水稻组蛋白去乙酰化酶的功能和调控机制提供了理论依据。
1.表达谱分析表明,在正常生长条件下除愈伤组织和根系外,HDA710在植株的大部分组织如茎、节间、穗部和雌蕊等的表达量较低。然而,HDA710在盐胁迫、干旱、暗处理和淹水条件下均可诱导表达,其中盐胁迫下的表达最为明显。此外,在脱落酸(ABA)、茉莉酸(JA)、GA3、2,4-D和NAA等植物激素的作用下,也能诱导HDA710的表达。
2.利用CRISPR/Cas9系统构建了HDA710基因敲除突变体(hda710-1和hda710-2),并利用Pcambia1301载体构建了其超表达植株(Ubi+HDA710CDS)。表型观察表明,HDA710超表达材料苗期生长速度较野生型慢,株高变矮;而hda710突变体的株高与野生型相比没有显著差异,但在成熟期的结实率明显低于野生型。
3.利用水稻原生质体和烟草叶片对HDA710的亚细胞定位分析表明,HDA710主要分布在细胞核和细胞质中。
4.Westernblot分析表明,HDA710可去除水稻组蛋白H3和H4的乙酰化修饰。突变HDA710则导致组蛋白H3和H4的乙酰化修饰水平显著提高,而超表达HDA710则导致组蛋白H3和H4的乙酰化修饰水平显著降低。进一步分析发现,HDA710能特异性地去除组蛋白H4K5和H4K16的乙酰化修饰。
5.在干旱和盐胁迫下,hda710突变体植株表现出较强的抗性,而超表达植株则较为敏感。
6.为了研究HDA710在ABA信号转导途径中的作用,对hda710突变体和超表达植株进行ABA处理。结果表明,与野生型相比,hda710突变体的敏感性较野生型低,而超表达植株对ABA高度敏感。此外,ABA对突变体和超表达材料的种子萌发率也有影响。其中hda710种子对ABA不敏感,在含有ABA的培养基上发芽率正常,而超表达材料的种子对ABA表现出较高的敏感性和较低的发芽率。
7.ABA处理和盐胁迫下,对hda710突变体植株中的胁迫响应基因的表达分析表明,与野生型相比,突变体中OsLEA3、OsABI5、OsbZIP72和OsNHX1的表达水平显著上调;同时在ABA和盐胁迫下,这些基因在hda710突变体中其启动子区的组蛋白H4乙酰化水平与野生型相比较高。
综上所述,本研究表明,水稻RPD3/HDA1家族蛋白HDA710/OSHDA2通过ABA信号通路对盐胁迫的响应中起关键的调节作用。总的来说,本研究表明HDA710在水稻生长发育和胁迫响应中起着重要的调控作用,同时进一步加深了对水稻不同生物学过程的表观调控的认识,为水稻组蛋白去乙酰化酶的功能和调控机制提供了理论依据。