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氮是植物必需的大量营养元素,对植物的生长发育具有重要的调控作用。硝酸根是土壤中植物可以利用的主要氮素来源,也是农业肥料中必不可少的组成成分。植物对外界硝酸根的吸收是通过高亲和转运系统(High Affinity Transport System,HATS)和低亲和转运系统(Low Affinity Transport System,LATS)完成的。在低氮条件下,植物迅速激活高亲和转运系统基因的表达,从而激活高亲和转运系统,提高植物对硝酸根的吸收能力。玉米是全球重要的粮食作物,也是重要的工业原料。在玉米的农业生产过程中需要施用大量氮肥。然而,玉米氮响应过程中特定的转录调控机制以及转录调控模式尚不清楚,因此揭示氮响应基因的转录调控机制对于培育氮高效玉米新品种是非常必要的。依赖ATP的染色质重塑通过改变染色质的结构从而调控多种生物学过程,是真核生物表观遗传调控的重要方式之一。课题组前期研究发现玉米SWI/SNF类染色质重塑复合物的核心亚基ZmCHB101在玉米生长发育和干旱胁迫响应过程中起着重要的作用。本研究中,我们利用分子生物学、生物化学和生物信息学等研究方法,对玉米SWI3家族基因ZmCHB101在氮响应中的作用进行了系统的研究。结果发现:(1)对玉米ZmCHB101-RNAi沉默系植株进行不同浓度的外源硝酸盐处理,发现在低氮(0.5 mM和1 mM)条件下,与野生型相比,ZmCHB101 RNAi沉默系植株的侧根生长和生物量积累加速;而在5mM和15 mM硝酸盐条件下,二者没有显著区别。(2)对硝酸盐处理0 h和2 h的ZmCHB101-RNAi沉默系R101和野生型植株进行RNA测序并分析发现,ZmCHB101基因的表达沉默能够影响玉米氮响应基因的表达。在硝酸盐处理0 h条件下,R101相对于野生型有862个差异表达基因;在硝酸盐处理2 h条件下,R101相对于野生型有786个差异表达基因。GO富集分析结果表明,硝酸盐处理0 h条件下的差异表达基因富集在“response to nitrogen compound”、“response to stress”和“response to abiotic stimulus”等生物学途径上;硝酸盐处理2 h条件下的差异表达基因富集在“response to nitrate”、“response to nitrogen compound”、“nitrate metabolism process”和“nitrate transport”等生物学途径上。值得注意的是,通过转录组测序发现高亲和转运系统中的关键基因ZmNRT2.1和ZmNRT2.2在R101中的表达水平显著高于野生型。(3)对ZmNRT2.1和ZmNRT2.2启动子区可能存在的顺式作用元件预测发现ZmNRT2.1和ZmNRT2.2启动子区存在氮响应顺式作用元件(nitrate-responsive DNA elements)的共有序列。(4)通过荧光素酶报告基因实验(Dual-luciferase Transient Expression System)和凝胶迁移实验(EMSA)发现,ZmNLP3.1能够识别氮响应基因ZmNRT2.1和ZmNRT2.2启动子区氮响应元件,在氮响应时激活ZmNRT2.1和ZmNRT2.2基因表达。(5)利用H3 ChIP-qPCR实验发现ZmNRT2.1和ZmNRT2.2基因启动子区氮响应元件处有强烈的核小体信号。在硝酸盐处理0 h和2 h条件下,与野生型相比,ZmCHB101-RNAi沉默系转录起始位点附近的核小体密度均显著下降。(6)利用玉米原生质体瞬时表达系统结合ChIP-qPCR实验发现,在硝酸盐处理0 h条件下,ZmCHB101能结合在氮响应元件,维持氮响应元件处的核小体密度,可能抑制ZmNLP3.1与氮响应元件的结合;而在硝酸盐处理2 h条件下,ZmCHB101与氮响应元件的结合能力显著下降,导致氮响应元件的核小体密度显著下降,促进ZmNLP3.1与氮响应元件的结合。(7)ZmCK1.1参与ZmCHB101调控的玉米氮响应,但ZmCK1.1不直接结合ZmNRT2.1和ZmNRT2.2启动子区。综上所述,我们认为玉米染色质重塑蛋白ZmCHB101在氮响应过程中与氮响应元件结合水平下降,氮响应元件处的核小体密度下降,从而促进ZmNLP3.1与氮响应元件的结合,进而激活氮响应基因ZmNRT2.1和ZmNRT2.2的表达,最终调控玉米氮吸收的高亲和系统。