摘要
表观遗传学涉及的分子机制多种多样，包括DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑和非编码RNA等。目前对于这些调控机制之间的关系以及它们在调节染色质和细胞状态中的动态变化还缺乏详细的研究。在本研究中，我们从不同角度探究了几种表观调控机制之间的相互关系，以及这些修饰是如何调节染色质结构和功能并响应环境变化的。 在植物中，DNA的胞嘧啶甲基化可以发生在CG、CHG和CHH（H代表A、C或T）三种序列上，标志着基因组中被表观抑制的重复序列。染色质重塑因子DDM1对于DNA甲基化，尤其是CG和CHG序列的甲基化是必不可少的，其突变导致水稻基因组中54%的胞嘧啶甲基化丢失。然而，OsDDM1在RNA介导的DNA甲基化（RdDM）途径中发挥着怎样的功能，以及它在调控染色质功能中的作用在水稻中还缺乏了解。在本文中，我们使用多种高通量测序手段，研究了OsDDM1突变对水稻染色质状态和功能的影响。我们发现OsDDM1突变导致了异染色质区的24nt siRNA水平升高而常染色质区的24nt siRNA水平降低，这与之前发现的CHH甲基化的变化趋势是一致的。OsDDM1突变还导致了异染色质lincRNA的转录激活，其中部分lincRNA具有高度的组织特异性，只在花药中表达。OsDDM1突变同时影响了TE相关基因、沉默基因以及异染色质lincRNA上的核小体排列情况。OsDDM1对DNA甲基化的调控和对核小体排布的调节是通过独立的机制进行的。结果表明OsDDM1在异染色质区与RdDM途径互相拮抗，并且对基因组中的转座原件转录产生的组织特异非编码RNA有抑制作用。这些发现拓展了我们对OsDDM1在异染色质中的功能的认识以及对异染色质不同表观调控机制关系的理解。 组蛋白的短脂肪酸链酰基化修饰与已被深入研究的乙酰化修饰在结构和功能上都存在着明显差异。在动物细胞中，组蛋白的酰基化修饰受到初级代谢的调控。植物和动物相比有着不同的初级代谢途径，而植物中对于除乙酰化外的其他组蛋白酰基化目前还没有研究。在本研究中，我们通过质谱手段鉴定了水稻组蛋白的赖氨酸丁酰化（Kbu）和巴豆酰化（Kcr）修饰位点，在水稻核心组蛋白中共鉴定到4个Kbu位点和40个Kcr位点。对水稻全基因组的Kbu、Kcr和H3K9ac进行比较分析，并结合RNA-seq分析，发现水稻中的大量基因同时被Kbu和Kcr修饰，并且它们中大多数与H3K9ac修饰的基因重叠，是表达活跃的基因，但也有部分沉默基因具有高水平的Kbu和Kcr修饰。通过基因功能分析发现，这些基因是潜在的逆境诱导基因。在饥饿处理和淹水处理的水稻幼苗中，Kbu和Kcr修饰的变化相较于H3K9ac更加稳定，且修饰发生变化的基因有所不同。对水稻基因表达的昼夜节律的分析表明H3K9ac在昼夜节律基因的表达调控中具有关键的作用，而Kbu和Kcr可能具有标记逆境诱导基因的功能。结果表明，Kbu和Kcr修饰广泛存在于水稻基因组中，Kbu、Kcr和H3K9ac共同标记了大量活跃表达的基因，但对于外界环境和内源信号表现出了不同的应答模式。因此，水稻组蛋白的不同赖氨酸酰基化组成是由环境和代谢信号共同调控的，它反映着植物适应环境过程中基因表达精准调节的内在机理。
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