玉米45S rDNA脆性位点的表观遗传机制及遗传进化

45S核糖体DNA(45S rDNA)由串联重复元件组成。正常细胞中,只有部分rDNA拷贝被转录,其余的则处于沉默状态。表观修饰参与调控rRNA基因转录失活与活跃状态的转变。该位点串联重复的特质有利于同源重组,可能引发遗传不稳定。我们早期的研究表明黑麦草45S rDNA是自发形成的染色体脆性位点。在这项研究中,我们发现复制抑制剂APH和转录抑制剂ActD都能诱导植物产生45S rDNA脆性表型,其细胞学形态类似于人普通型脆性位点表型。APH和ActD处理也能使间期rDNA脱浓缩。但这两种试剂都不影响玉米着丝粒和Knob位点的稳定性。这些结果证明45S rDNA位点既是复制依赖型又是转录依赖型脆性位点。脆性表达的rDNA位点有大量AgNOR蛋白共定位,同时,ActD显著抑制RNA PolI转录延伸的同时促进rRNA基因转录起始,迫使更多的原本处于浓缩状态的rRNA基因转变成脱浓缩状态并分散在核基质中,形成多核仁。脱浓缩会妨碍染色体折叠,促使45S rDNA位点脆性表达。ActD诱导位点特异性去甲基化并使组蛋白H3总含量大幅度减少,H3K9ac、H3K4me2、H4K5ac和H4K16ac含量明显升高,而H3K9me2含量却略有下降。这些表观修饰改变促使浓缩型染色质变成松散型染色质,可能导致rDNA染色质包装失败和脆性表达。ActD处理导致玉米rDNA区域的γH2AX含量升高,但使eccrDNAs含量略为降低,表明rDNA位点的染色单体同源重组修复或非同源末端连接修复被抑制。ActD诱导的DNA损伤积累和DNA修复抑制可能会使更多的45S rDNA断裂未经修复直接进入分裂中期,并在染色体上形成脆性表型。也证实了rDNA染色质变化和表观修饰参与了激素介导的种子萌发,发现玉米根部不同区域rDNA修饰状况是不同的。rDNA脆性表观遗传学的研究将加深人们对玉米染色质结构尤其是rDNA结构以及在植物基因组进化中的作用的认识,为染色体工程改良植物奠定一定的理论基础。.在基金的资助下,我们也深入拓展了玉米染色质表观遗传的研究内容,发现rDNA和knob与表观修饰卷入了玉米冷热盐等非生物胁迫应答。这些将加深人们对表观修饰在玉米生长和发育中作用的理解。