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摘要高等植物按照光合碳同化途径类型可分为C3植物、C4植物和CAM（景天酸代谢）植物。C4植物由C3植物进化而来，比C3植物具有更高的光能、水分及氮素利用效率。典型的C4植物具有由两种光合细胞构成的花环结构，即围绕维管束的一圈维管束鞘细胞（bundle sheath，BS）和围绕维管束鞘的一圈叶肉细胞（mesophyll，M）。C4光合途径相关基因在两种细胞中特异性的定位及表达是C4植物形成CO2浓缩机制并降低光呼吸的关键，保证了C4光合途径的高效进行。<br>　　为了探究C4光合途径相关基因在BS和M细胞中的转录调控机制，本研究获得了典型C4植物玉米BS和M细胞的转录组（RNA-Seq）、染色质可及性（ATAC-Seq）、组蛋白修饰（ChIP-Seq）和全基因组DNA甲基化（WGBS-Seq）数据，确定了玉米BS和M细胞之间的基因表达差异和表观修饰差异。其次，本研究比较了玉米、高粱和谷子叶片BS和M细胞的RNA-Seq及ATAC-Seq数据，挖掘不同C4物种间保守的差异表达基因及调控元件。最后，本研究通过结合多维组学数据及比较基因组学手段，预测了可能参与C4光合途径的基因，为进一步解析C4光合相关基因的表达调控机制提供新线索。本研究的主要结果如下：<br>　　1.玉米BS和M细胞间基因的差异表达受基因周围染色质状态的影响<br>　　基因的整体表达水平与基因周围染色质修饰的强度相关。玉米叶片BS和M细胞间差异基因的表达水平也受到周围染色质状态的影响。多种表观修饰协同配合，严格调控玉米BS和M细胞间基因的差异表达。<br>　　2.染色质可及区域能够影响玉米BS和M细胞间基因差异表达<br>　　本研究发现基因近端染色质可及区域（pACR）和远端染色质可及区域（dACR）都能影响基因的细胞类型差异性表达，并且BS和M细胞间差异的染色质可及区域附近通常存在组蛋白修饰和DNA甲基化修饰差异。<br>　　3.Dof和WRKY转录因子家族影响玉米BS和M细胞间基因差异表达<br>　　AAAG和TGACY结合基序在BS和M细胞中显著差异富集，它们相应的Dof和WRKY转录因子家族成员也存在一致的细胞类型差异性表达模式。除Dof和WRKY家族外，在玉米BS和M细胞间G2-like、TCP和C2H2转录因子家族存在表达差异，TCP和ERF转录因子家族存在基序结合差异。<br>　　4.C4物种BS和M细胞之间基因表达及染色质可及区域的保守性<br>　　利用玉米、高粱和谷子3个C4物种的RNA-Seq和ATAC-Seq数据，我们鉴定到563个保守的差异基因和303个存在差异染色质可及区域的基因，这些基因中有60个存在重叠。C4物种间保守的基因显著富集在转录调控过程中，暗示着C4光合途径的进化可能平行选择了一些核心的调控因子。<br>　　5.C4物种中保守的基因表达调控网络的构建<br>　　本研究利用在玉米、高粱和谷子中具有保守表达模式和已知结合基序的36个转录因子，在BS和M细胞差异的ACR中识别结合位点，构建了基因表达调控网络。我们获得了基因表达调控网络中20个关键基因（hub genes）并预测了C4相关基因的上游转录因子。<br>　　6.C4相关基因及调控序列的挖掘<br>　　基于基因在BS和M细胞间的表观修饰特征及在C4物种间表达模式的保守性，我们预测了一组功能未知的基因，并将这些潜在的C4相关基因利用CRISPR/Cas9进行基因编辑。同时，我们通过实验初步证实了C4物种中保守的BS细胞特异性的ACR能够启动GUS报告基因的细胞类型特异性表达。<br>　　综上所述，我们的研究结果加深了在全基因组范围内对C4基因表达调控的理解，为进一步揭示C4物种中的基因表达调控机制提供了新线索。