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磷是植物所需的大量元素之一,参与植物的各种代谢活动,包括能量代谢、核酸和生物膜的合成、光合作用、呼吸作用、固氮作用和酶活调控等。铁是植物的一种重要的微量元素,同样影响了很多生物学过程,包括根形态建成、光合作用、固氮作用、呼吸作用和花粉的育性。铁缺乏会严重影响这些基本的生理过程,从而对叶绿素合成、作物的产量和质量造成严重影响。表观遗传调控是目前分子生物学领域的研究热点,是指基于非基因序列改变所致的基因表达水平变化,包括DNA甲基化、组蛋白共价修饰和非编码RNA介导的基因沉默等。迄今为止,对磷、铁内稳态(Homeostasis)的表观遗传调控机理知之甚少。本论文通过对一系列组蛋白乙酰化和脱乙酰化相关突变体的筛选,发现组蛋白乙酰转移酶GCN5对于磷和铁的内稳态都有重要作用。获得的主要研究结果如下:1.鉴定出有较低耐磷饥饿胁迫能力的gcn5突变体。通过Illumina高通量转录组测序,结合染色体免疫共沉淀(ChIP)的方法,鉴定出6个参与磷饥饿胁迫响应的GCN5靶基因,包括At4、WRKY6、SBT3.5、GLR1.2、RIPK和PCK1。其中,At4作为长片段非编码RNA(lncRNA)以目标模拟(Target mimicry)的方式抑制miR399对PHO2 mRNA的剪切,且At4的表达受磷饥饿胁迫的剧烈诱导,但其调控机理尚未阐述清楚。本研究发现,GCN5能够结合到At4的启动子区域,其富集程度在低磷胁迫2天后显著提高,且与H3K9/14位点乙酰化水平存在明显的相关性。与此相反,gcn5突变体中At4基因核心启动子区域的H3K9/14位点乙酰化水平显著降低,引起At4表达水平下调,导致缺磷条件下gcn5突变体从地上组织向根部转运磷的能力降低;而当在gcn5突变体中过表达At4时,上述磷转运能力缺陷可以得到部分恢复。同时证明组蛋白去乙酰化酶HDA19负责At4启动子区域的去乙酰化,进而抑制At4的表达。对IncRNA A4表观遗传调控机理的研究揭示出组蛋白乙酰化修饰对拟南芥磷内稳态具有重要调控作用。2.发现GCN5对铁从根部向地上组织的运输具有重要调控作用gcn。突变体中Fe3+在根部大量积累,而地上部却表现出缺铁的症状,包括叶绿素的合成减少、花粉育性降低。通过Illumina高通量转录组测序,结合ChIP的方法,我们鉴定出5个参与铁内稳态过程的GCN5靶基因,包括FRD3、EXO70H2、MLP329、BOR1和CRK25。植物体内Fe3+与柠檬酸盐形成复合物进行运输,而FRD3蛋白负责柠檬酸盐外排。本研究表明,GCN5能够结合FRD3基因的启动子,并且富集程度受缺铁胁迫诱导。GCN5通过影响FRD3基因H3K9/14位点的乙酰化水平进而调控其表达。此外,根部施加柠檬酸盐或在gcn5突变体中过表达FRD3均可以提高铁的转运效率。同时,叶面喷施螯合铁EDDHA-Fe或者在gcn5突变体中过表达FRD3可以部分提高新叶中叶绿素含量和花粉育性。本研究系统的阐述了组蛋白乙酰化修饰对拟南芥铁内稳态的调控。