揭示植物“冬季低溫記憶”代際傳遞的母系遺傳機製
2020年09月22日09:54

  來源:BioArt植物

  責編:逸雲

  有些植物可以記住過去的環境經曆,以適應特定的生境。植物的“環境經曆記憶”能否以及如何傳遞或遺傳給下一代仍不清楚。許多生長在高緯度地區的越冬植物,必須經曆一段時間的持續低溫(寒冬)才能獲得在春季開花的潛力(即春化作用)。春化作用受表觀遺傳機製調控。在模式植物擬南芥中,長期低溫通過多梳(Polycomb)蛋白介導的染色質修飾H3K27me3(組蛋白H3第27位賴氨酸三甲基化)關閉抑製開花的轉錄因子FLC,該位點的沉默狀態在氣溫回升後(春季回暖)仍然被維持(“冬季低溫記憶”),從而使植物獲得了在春天開花的潛力。

  中國科學院上海植物逆境生物學研究中心/分子植物科學卓越創新中心何躍輝課題組近年來對擬南芥“冬季低溫記憶”的形成、維持及重置(擦除)的分子表觀遺傳機製進行了深入系統研究,揭示了“冬季低溫記憶”形成的分子調控元件及重置機製(Yuan et al。 Nature Genet 2016; Tao et al。 Nature 2017; Tao et al。 Nature Plants 2019)。“冬季低溫記憶” 雖然在當代穩定,但在種子(下一代)發育過程中被重置,最終每一代都要經曆寒冬後在春季開花。之前的研究認為在有絲分裂過程中“冬季低溫記憶”從母細胞傳遞給了子細胞(即在當代穩定),但不能通過減數分裂傳遞(即該記憶或表觀遺傳標記在配子中已丟失)。“春化”狀態能否通過配子遺傳下一代(如早期胚胎/種子)仍未知。

  2020年9月21日,何躍輝課題組在Nature Plants發表了題為Maternal transmission of the epigenetic ‘memory of winter cold’ in Arabidopsis的研究論文,揭示了長期低溫(寒冬)誘導的“春化”狀態(或“冬季低溫記憶”)通過卵細胞傳遞給合子和早期胚胎的母系遺傳機製。

  該研究通過遺傳學、分子生物學和細胞生物學等方法發現在擬南芥配子形成過程中卵細胞攜帶“冬季低溫記憶”(即長期低溫誘導形成的FLC染色質沉默狀態),但該記憶在精細胞中已丟失;進一步的分析表明親本的“春化”狀態通過卵細胞遺傳給早期胚胎,即母系遺傳(圖1)。該發現改寫了“春化”狀態傳遞的經典概念:“春化”狀態可通過減數分裂傳遞給配子(雌配子),並揭示了染色質介導的植物環境記憶通過雌配子遺傳給下一代(早期胚胎)的代際傳遞機製。此外,這項研究發現父本FLC染色質的沉默標記雖然已丟失,但其表達在胚胎發育早期仍被抑製,在胚胎發育的後期父本FLC才被完全激活。

圖1:染色質狀態介導的植物“冬季低溫記憶”母系遺傳機製
圖1:染色質狀態介導的植物“冬季低溫記憶”母系遺傳機製

  目前,越冬擬南芥胚胎發育早期母本和父本FLC沉默的生物學意義尚待釐清,但“環境經曆記憶”母系遺傳機製的解析對認識植物如何適應環境具有重要的科學意義。

  何躍輝課題組的副研究員羅曉、博士生藕洋和李人傑為共同第一作者。何躍輝研究員為該論文的通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金委和中國科學院相關經費的資助。

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