南京农业大学最新Plant Cell文章

　　

生物通报道：来自南京农业大学，中国农业科学院等处的研究人员首次报道了表观遗传修饰对水稻株高和花器官发育的重要作用，揭示了DNA甲基化和组蛋白修饰之间的关联，为进一步研究表观遗传修饰对水稻生长发育的调控机制奠定基础。相关成果公布在植物学权威期刊The Plant Cell杂志上。

文章的通讯作者是南京农业大学万建民教授，第一作者为张立国博士，万建民教授长期从事水稻种质创新、基因定位、克隆和品种选育等研究已发现并精细定位了水稻广亲和基因，水稻休眠性基因等种基因，其研究组今年7月也曾在The Plant Cell杂志上发表了水稻花粉半不育研究成果。

水稻籼粳亚种间杂种优势强大，一般比亚种内杂交水稻产量潜力高10-30%，但籼粳亚种间杂种存在半不育、超亲晚熟和株高超亲等问题，严重影响其在生产上的利用。

在这篇文章中，研究人员发现一个显性矮秆突变体Epi-df具有较强的降秆能力，这将有望在水稻籼粳杂种优势利用中解决F1代株高偏高问题。研究人员经图位克隆发现Epi-df编码一个包含7个WD40结构域的FIE1蛋白。FIE1参与水稻组蛋白H3K27me3的修饰，同时自身受表观抑制标记DNA甲基化和组蛋白H3K9me2的调控，从而表现出胚乳特异性表达特性。

而在Epi-df中，FIE1基因的启动子和5’端发生了DNA去甲基化，H3K9me2减少和表观激活标记H3K4me3增加，从而使FIE1异位表达，并导致基因组水平上H3K27me3修饰的改变，导致水稻株高降低并伴随一定程度的花器管变异。

表观遗传学是研究基因的核苷酸序列不发生改变的情况下，基因表达了可遗传的变化的一门学科。表观遗传主要通过DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑和非编码RNA调控等方式控制基因表达。表观遗传调控是基因表达调控的重要组成部分，已成为当前研究的热点。

目前，仅有极少数的自发表观突变体被发现，例如DNA过甲基化突变体clk、Epi-dwarf1、lcyc、以及Cnr; 而DNA去甲基化突变体目前仅发现一例，即拟南芥fwa突变体。在禾本科植物尤其是重要作物中还未有DNA去甲基化突变体的报道。

今年7月，这一研究组也从分子水平揭示了引起水稻花粉半不育的分子机理，阐述了一种基因在花粉发育中的地位，利用该基因及其分子标记可为水稻杂种优势利用提供理论指导和分子育种的基础。

研究人员通过基因的精细定位和图位克隆，结合基因组测序和相关功能分析，表明w207-2半不育是由于OsKinesin-1基因（pss1）中一个单碱基的突变造成了其编码的驱动蛋白中与微管结合相关的一个关键氨基酸的改变，导致其微管结合活性的部分丧失，进而导致其减数分裂过程中染色体运动的联会、分离等过程不能正常进行，造成部分花粉缺失1条或多条染色体，并在单核期逐渐开始退化为没有任何内容物的空壳花粉，最终表现出花粉半不育，同时花粉半不育可能影响了花药的开裂性，间接造成了w207-2的低结实率。PSS1是一个新的Kinesin-1家族的成员，这项研究在被子植物中首次报道了该家族基因的生物学功能。

（生物通：万纹）

原文摘要：

Identification and Characterization of an Epi-allele of FIE1 Reveals a Regulatory Linkage between two Epigenetic Marks in Rice

DNA methylation and histone H3 Lys 9 dimethylation (H3K9me2) are important epigenetic repression marks for silencing transposons in heterochromatin and for regulating gene expression. However, the mechanistic relationship to other repressive marks, such as histone H3 Lys 27 trimethylation (H3K27me3) is unclear. FERTILIZATION-INDEPENDENT ENDOSPERM1 (FIE1) encodes an Esc-like core component of the Polycomb repressive complex 2, which is involved in H3K27me3-mediated gene repression. Here, we identify a gain-of-function epi-allele (Epi-df) of rice (Oryza sativa) FIE1; this allele causes a dwarf stature and various floral defects that are inherited in a dominant fashion. We found that Epi-df has no changes in nucleotide sequence but is hypomethylated in the 5′ region of FIE1 and has reduced H3K9me2 and increased H3K4me3. In Epi-df, FIE1 was ectopically expressed and its imprinting was disrupted. FIE1 interacted with rice Enhancer of Zeste homologs, consistent with its role in H3K27me3 repression. Ectopic expression of FIE1 in Epi-df resulted in alteration of H3K27me3 levels in hundreds of genes. In summary, this work identifies an epi-allele involved in H3K27me3-mediated gene repression that itself is highly regulated by DNA methylation and histone H3K9me2, thereby shedding light on the link between DNA methylation and histone methylation, the two important epigenetic marks regulating rice development.

作者简介：

万建民教授，博士生导师。长期从事水稻种质创新、基因定位、克隆和品种选育等研究。先后承担日本国家水稻育种攻关项目“21世纪水稻育种计划”和日本水稻基因组项目、国家863、973、国家自然科学基金、转基因专项、科技成果转化等多项科研项目。重点围绕水稻优质、高产、抗病虫、抗逆等性状，发掘新基因并进行育种利用，建立和完善分子设计高效育种体系，培育具市场竞争力的优质水稻新品种。已发现并精细定位了水稻广亲和基因9个，水稻休眠性基因4个，耐贮藏基因3个，耐直播特性（茎粗和根粗）基因各1个和抗倒伏基因1个，新的谷蛋白基因3个等，并向国际植物基因命名委员会申请登录成功。目前已成功克隆了谷蛋白GluB-4、GluB-6、二硫键异构酶、黄绿叶基因、花粉半不育基因、水稻液泡加工酶基因、OsRab5a等基因，并进行了相关功能研究。培育水稻新品种5个，其中宁粳1号于2004年通过江苏省农作物品种委员会审定，由于其高产稳产、矮杆抗倒、抗病性强、米质优，适口性好、易种植，风险小等优点，已在江苏泰州、扬州、南通、无锡、南京、镇江等地以及安徽、上海等适宜地区累计推广1000多万亩，成为长江中下游主栽的粳稻品种；协优107在云南永胜创造亩产1287公斤的水稻单产世界最新纪录。目前参试品种（组合）有8个。获得新品种权5项，申请新品种权7项。获得授权专利3项，申请专利5项。获中国高校自然科学一等奖1项，省部级科技进步二等奖3项，中国农科院科技进步二等奖2项。在国内外核心学术期刊发表论文170余篇，其中在Plant Physiol.、TAG、Planta、PMB 等SCI论文48篇，出版专著3部。
现兼任中国作物学会常务副理事长，中国农业生物技术学会副理事长，中国遗传学会理事，中国植物学会理事，中国农科院学术委员会委员, 中国水稻所兼职教授及学术委员会委员等职。