拟南芥JMJ21基因调控茎端分生组织发育的功能研究

【摘要】：植物地上部分组织和器官的细胞都来源于茎端分生组织,而茎端分生组织活性的维持依赖于干细胞分裂与分化活动之间的动态平衡,研究茎端分生组织的发育过程对于植物的生长发育具有重要的意义。前期我们鉴定到一个T-DNA插入突变体jmj21,其茎端分生组织比野生型明显变小;对JMJ21的酶活性进行分析,发现其可能不具有JMJ家族其他成员的组蛋白去甲基化酶活性;通过jmj21突变体转录组分析发现,该基因通过调控WUS和STM的表达来影响茎端分生组织的发育。本研究初步解析了JMJ21介导的茎端分生组织发育的分子机理。主要结果如下:(1)通过观察jmj21突变体的表型,发现其萌发10天的小苗较野生型明显变小;开花后jmj21突变体植株明显较野生型矮小,且分枝变少;经鉴定,JMJ21的T-DNA插入突变体为knock-out突变体,透明观察其茎端分生组织大小,发现茎端分生组织明显小于野生型。观察JMJ21的表达模式发现,该基因在茎端分生组织表达较强,且JMJ21蛋白定位于细胞核中。(2)JMJ21属于Jumonji C(Jmj C)-Domain containing(JMJ)蛋白家族,是一类典型的组蛋白去甲基化酶,该酶能通过调控组蛋白去甲基化过程影响基因的表达。为了探究JMJ21影响基因表达的机制,对JMJ21的组蛋白去甲基化酶的活性进行了分析验证,结果发现,JMJ21不具有组蛋白H3R2、H4R3、H3K4、H3K9、H3K27和H3K36去甲基化酶的活性。通过与已证实具有组蛋白去甲基化酶活性的拟南芥同源蛋白JMJ22和人类同源蛋白JMJD6氨基酸序列比对结果发现,酶活性中心区域与辅因子α-酮戊二酸(α-ketoglutarate,α-KG)结合的丝氨酸/苏氨酸残基与JMJ21的丙氨酸残基不同。(3)为了探究JMJ21调控茎端分生组织发育的机制,我们进行了转录组测序,结果发现,茎端分生组织特征基因WUSCHEL(WUS)、SHOOTMERISTEMLESS(STM)和CLAVATA 3(CLV3)在jmj21突变体中显著下调。JMJ21与茎端分生组织特征基因WUS和STM之间的遗传学关系分析显示,jmj21 wus-am和jmj21 stm-2双突变体均表现为wus-am和stm-2单突变体相似的茎端分生组织缺失的表型,表明JMJ21作用于WUS和STM的上游,通过调控这两个基因的表达影响茎端分生组织的发育。(4)通过对转录组学jmj21突变体中差异表达的基因进行分析,筛选到一个茎端分生组织发育关键调控基因SHEPHERD(SHD)。SHD作为内质网定位的分子伴侣,被证实对于CLV3蛋白的正确折叠具有重要的作用,shd突变体茎端分生组织变大,有功能的CLV3蛋白质积累变少,导致WUS和CLV3的表达水平升高。q RT-PCR结果和原位杂交结果显示jmj21突变体中SHD的表达量升高,由此我们推测JMJ21通过调控SHD的表达来影响茎端分生组织发育。通过本研究,我们揭示了JMJ21调控茎端分生组织发育的分子机制,为茎端分生组织发育调控网络的进一步完善提供了新的数据。