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벼의 개화시기와 biomass 생성을 조절하는 chromatin remodeling factor의 기능 연구

Study on a chromatin remodeling factor regulating flowering time and biomass production in rice

정희중 (Hee Joong Jeong, 포항공과대학교)

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초록 moremore
염색질 재구성 (Chromatin remodeling)은 역동적으로 염색질의 구조를 변화시킴으로써, 다양한 전사조절인자들이 DNA 상의 조절부위에 접근할 수 있게 한다. 히스톤 단백질들의 번역 후 변형 (post-translational modification) 과정은 여러 단백질 복합체들에 의해 일어난다. 그것들 중에서, polycomb repressive complex 2 (PRC2)는 목적유전자 지역에 존재하는 히스톤 단백질들을 변형시켜, 해당 유전자의 발현을 억제한다. 애기장대와 벼를 대상으로 한 분자 유전학적인 연구들을 통...
염색질 재구성 (Chromatin remodeling)은 역동적으로 염색질의 구조를 변화시킴으로써, 다양한 전사조절인자들이 DNA 상의 조절부위에 접근할 수 있게 한다. 히스톤 단백질들의 번역 후 변형 (post-translational modification) 과정은 여러 단백질 복합체들에 의해 일어난다. 그것들 중에서, polycomb repressive complex 2 (PRC2)는 목적유전자 지역에 존재하는 히스톤 단백질들을 변형시켜, 해당 유전자의 발현을 억제한다. 애기장대와 벼를 대상으로 한 분자 유전학적인 연구들을 통해, 개화를 조절하는 몇몇의 염색질 재구성인자들이 밝혀졌지만, 벼에서 PRC2가 개화를 조절하는 기작에 대한 연구는 미흡한 상태이다. 나는 이 논문에서, Oryza sativa VERNALIZATION INSENSITIVE 3-LIKE 1 (OsVIL1)이 벼의 개화시기, 키, 그리고 수량성을 조절한다는 것을 보고한다. OsVIL1의 발현이 감소된 RNA interference (RNAi) 식물체들의 개화시기가 단일조건에서 늦어졌다. 또한 그 식물체들에서 OsLF의 발현은 증가하였지만, Ehd1, Hd3a, 그리고 RFT1의 발현은 감소되어 있었다. 이와는 반대로, OsVIL1 과다발현체들은 단일조건에서 개화가 빨라졌다. 더 나아가, OsLF, Ehd1, Hd3a, 그리고 RFT1의 발현도 RNAi 식물체들에서와는 반대로 나타났다. 장일 조건에서 자란 OsVIL1 과다발현체들의 개화시기가 늦어졌고, 이들에서 OsLF, Hd1, 그리고 Ghd7의 발현이 증가되어 있었다. OsVIL1은 세 가지의 도메인을 갖는다. 그것들 중에서, plant homeodomain (PHD)과 fibronectin type III (FNIII)의 기능을 조사하였다. OsVIL1은 전자를 통하여, 히스톤 H3 단백질과 결합을 하였고, 후자를 통하여, PRC2 복합체의 구성성분 중의 하나인 O. sativa EMBRYONIC FLOWER 2b (OsEMF2b)와 상호작용을 하였다. 따라서, OsVIL1이 PRC2 복합체와 결합을 하여 단일조건에서는 OsLF를, 그리고 장일 조건에서는 Ghd7을 조절함으로써 개화시기에 영향을 주는 것을 알 수 있었다. 더불어, OsVIL1 과다발현은 식물체의 키와 수량성의 증가에 관여가 되는 것을 관찰하였다. 과다발현체들은 정상 식물체들에 비해, 긴 절간과 두꺼운 줄기를 갖고 있었다. 조직학적 분석을 통해, 과다발현체들의 줄기는 정상 식물체들의 세포보다 크기가 작고, 많은 세포들로 구성되어 있는 것을 발견하였다. 이러한 결과들을 바탕으로, OsVIL1은 활발한 세포분열을 촉진하여, 식물체의 형태에 영향을 주고, 나아가 수량성 증가에 도움을 주는 유전자라는 것을 알 수 있었다. 나는 본 연구를 통하여, OsVIL1이 염색질 구조에 영향을 주어, 벼의 개화시기, 키, 그리고 수량성 조절에 중요한 역할을 한다는 것을 밝혔다.
초록 moremore
Chromatin remodeling enables transcriptional machineries to access target sites by dynamically changing the chromatin structure. Post-translational modifications of histone proteins are mediated by multimeric protein complexes. Among them, polycomb repressive complex 2 (PRC2) inhibits the expression...
Chromatin remodeling enables transcriptional machineries to access target sites by dynamically changing the chromatin structure. Post-translational modifications of histone proteins are mediated by multimeric protein complexes. Among them, polycomb repressive complex 2 (PRC2) inhibits the expression of target genes by altering histone proteins. Although several genes that epigenetically regulate flowering time have been identified in Arabidopsis thaliana and rice (Oryza sativa), the molecular mechanism by which PRC2 affects flowering time has not been well understood in the latter. This study focused on the role of O. sativa VERNALIZATION INSENSITIVE 3-LIKE 1 (OsVIL1), which is homologous to the flowering promoter OsVIL2. Expression of OsVIL1 was decreased by RNA interference (RNAi), leading to a late flowering phenotype under short days (SD). In the RNAi lines, OsLF expression was increased, but transcripts of Early heading date 1 (Ehd1), Heading date 3a (Hd3a), and RICE FLOWERING LOCUS T 1 (RFT1) were reduced. By contrast, OsVIL1-overexpressing (OX) transgenic lines displayed an early flowering phenotype under SD. Levels of OsLF transcript were lower while those of Ehd1, Hd3a, and RFT1 were enhanced in the OX lines. Under long days (LD), the OsVIL1-OX lines flowered later than normal and expression of Grain number, plant height, and heading date 7 (Ghd7) was higher. This investigation also demonstrated that the plant homeodomain region of OsVIL1 binds to native histone H3 in vitro. Co-immunoprecipitation assays showed that OsVIL1 interacts with OsVIL2 and that the fibronectin type III (FNIII) domain of OsVIL1 is associated with O. sativa EMBRYONIC FLOWER 2b (OsEMF2b). Therefore, OsVIL1 seems to form a PRC2-like complex to induce flowering by suppressing OsLF under SD but delay flowering by elevating Ghd7 expression under LD. Moreover, OsVIL1 overexpression affects plant height and the number of spikelets produced per panicle. Internodes from the OsVIL1-OX lines were longer and thicker than those of the wild type due to an increase in cell numbers. This suggests that OsVIL1 is involved in the development of an architecture that is ideal for improving grain yield.
목차 moremore
Abstract i
Contents iii
List of Figures and Table v
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Abstract i
Contents iii
List of Figures and Table v

Chapter 1. Introduction 1
1-1. Chromatin remodeling 1
1-2. Histone methylation 2
1-3. Polycomb group complex 3
1-3-1. Functions of PRC2-like complex in Arabidopsis and rice 5
1-3-2. PRC2-like complex and vernalization in Arabidopsis 6
1-4. VIN3-like genes in Arabidopsis and rice 7
1-5. PRC2-related proteins 9
1-6. Flowering regulators in rice 10
1-7. Plant architecture and yield potential in rice 12
1-8. Objectives 14

Chapter 2. Materials and Methods 16

Chapter 3. OsVIL1 controls flowering time in rice by suppressing OsLF under short days and by inducing Ghd7 under long days 23
3-1. Results 23
3-2. Discussion 29
3-3. Figures and Table 33

Chapter 4. OsVIL1 overexpression affects plant height and grain yield in rice 62
4-1. Results 62
4-2. Discussion 64
4-3. Figures 67

Summary and Significance 75
References 78
Summary in Korean (국문요약 101
Acknowledgement (감사의 글) 104
Curriculum Vitae 108