何躍輝課題組揭示植物胚胎親本“春化記憶”重置與基因表達重編程的分子機制

時間:2022年3月24日
來源:北京大學現代農學院

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      2022 年 3 月 2 日,何躍輝教授課題組在 The Plant Cell 發表了題為 “Embryonic reactivation of FLOWERING LOCUS C by ABSCISIC ACID INSENSITIVE 3 establishes vernalization requirement in each Arabidopsis generation” 的研究論文,報道了 ABA 響應轉錄因子 ABI3 在胚胎發育及成熟過程中重新激活抑制成花轉變的 FLC 基因表達的分子機制

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      202232日,何躍輝教授課題組在The Plant Cell 發表了題為 “Embryonic reactivation of FLOWERING LOCUS C by ABSCISIC ACID INSENSITIVE 3 establishes vernalization requirement in each Arabidopsis generation” 的研究論文,報道了ABA響應轉錄因子ABI3在胚胎發育及成熟過程中重新激活抑制成花轉變的FLC基因表達的分子機制。

真核生物基因表達受到染色質修飾與重塑等表觀遺傳機制調控。與動物不同,植物并沒有預先分化的生殖細胞系,而是在生長發育后期從體細胞中分化出配子體;另外,不能移動的特性使得植物必需經受各種脅迫和環境的改變。因此,植物的基因組往往積累復雜的表觀印記,這些表觀印記通常在生殖過程中被清除,以保證每一代植物都可以正常生長發育。春化作用是研究表觀重編程的重要模型。很多越冬植物需要經歷長時間的冬季低溫(春化作用)才能在春季回暖后開花結果繁育下一代。冬性擬南芥經歷長時間低溫后,其抑制成花轉變的核心轉錄FLCPolycomb 蛋白介導的染色質修飾所沉默;升溫后、這種冷誘導的FLC染色質沉默狀態被穩定維持,形成冬季低溫記憶(春化記憶),從而使植物在隨后的生長發育過程中能開花結實。FLC染色質沉默狀態或春化記憶通過卵細胞遺傳給幼胚,在胚胎發育后期被重置(擦除),使每一代植物都要在開花前重新經歷春化過程 (Luo et al. 2020)。

何躍輝團隊之前的研究發現在幼苗春化過程中B3結構域蛋白VAL1VAL2識別FLC位點的冷記憶(Cold Memory Element, CMEDNA元件,招募Polycomb 蛋白復合體(PRC2)而沉默FLC表達 (Yuan et al. 2016)。開花受精后的胚胎發育過程中,胚胎特異的先驅轉錄因子LEC1 (LEAFY COTYLEDON 1) 啟動了“春化記憶”的重置,隨后胚胎B3結構域轉錄因子LEC2FUS3識別FLC位點的冷記憶DNA元件,介導了FLC染色質沉默狀態的重置 (Tao et al. 2017; Tao et al. 2019)。

最新發表的這項研究發現,在胚發育后期,B3結構域轉錄因子ABI3識別CME序列,并招募支架蛋白FRIGIDA (FRI)與激活性染色質修飾因子組成的超級復合體(FRIc),在FLC染色質上建立激活性的組蛋白修飾標記,從而重置FLC染色質的沉默狀態。進一步研究表明,在隨后的胚胎成熟過程中,ABA激素在種子中逐漸積累,ABI3與另一ABA通路的轉錄因子ABI5協同結合FLC啟動子區的ABA響應DNA元件ABRE (ABA-Responsive Element),進一步激活FLC的表達。種子中的FLC高表達對于種子萌發以及后期的開花時間具有重要的影響。

1種子特異的LAFL基因依序表達形成“春化記憶”重置及FLC重新激活的分子通路 (https://doi.org/10.1093/plcell/koac077)

該項研究與該團隊之前的研究揭示了種子特異的LAFL基因調控網絡(LEC1、LEC2、FUS3ABI3)在重置“春化記憶”過程中的關鍵作用。LEC1作為先鋒轉錄因子,通過提高FLC染色體的開放度促進B3轉錄因子 (LEC2、FUS3ABI3) 結合CME序列;另外,B3轉錄因子之間具有部分冗余性。該研究對于理解植物的環境響應和表觀遺傳印記重置具有重要意義,并揭示了激素對胚成熟過程中FLC表達的進一步激活發揮重要作用。

2 種子發育過程中FLC染色質沉默狀態的重置及FLC重新激活的機制(https://doi.org/10.1093/plcell/koac077)

 

何躍輝團隊的徐國凱博士和目前任職浙江大學的陶增研究員為共同第一作者,何躍輝教授為通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金委、北京大學現代農業研究院以及中國科學院相關經費的資助。

 

           Luo, X., Y. Ou, R. Li, and Y. He. 2020. 'Maternal transmission of the epigenetic 'memory of winter cold' in Arabidopsis', Nat Plants, 6: 1211-18.

           Tao, Z., H. Hu, X. Luo, B. Jia, J. Du, and Y. He. 2019. 'Embryonic resetting of the parental vernalized state by two B3 domain transcription factors in Arabidopsis', Nat Plants, 5: 424-35.

           Tao, Z., L. Shen, X. Gu, Y. Wang, H. Yu, and Y. He. 2017. 'Embryonic epigenetic reprogramming by a pioneer transcription factor in plants', Nature, 551: 124-28.

           Yuan, W., X. Luo, Z. Li, W. Yang, Y. Wang, R. Liu, J. Du, and Y. He. 2016. 'A cis cold memory element and a trans epigenome reader mediate Polycomb silencing of FLC by vernalization in Arabidopsis', Nat Genet, 48: 1527-34.

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