作者:何跃辉等 来源:《自然—遗传学》 发布时间:2016/11/9 9:49:28
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发现调控植物开花的表观遗传新机制

 

11月8日,《自然-遗传学》(Nature Genetics)杂志在线发表了中国科学院上海生命科学研究院植物逆境生物学研究中心何跃辉研究组与杜嘉木研究组合作完成的题为A cis cold memory element and a trans epigenome reader mediate Polycomb silencing of FLC by vernalization in Arabidopsis 的研究论文。该研究利用模式开花植物拟南芥发现了一个冷记忆顺式DNA元件与一个表观遗传标记识别蛋白通过整合发育与温度信号,调控开花时间的表观遗传分子机制,为理解植物如何适时开花提供了重要的理论依据和新的应用靶点。

开花是高等植物生长繁殖过程中重要的生理现象,是植物由营养生长进入生殖生长的标志。长期以来,植物通过进化形成了复杂精确的机制,以响应内源信号与环境变化来调控开花时间。对拟南芥大量的生理及遗传学分析表明,开花诱导至少由四个主要途径所调节,即春化途径、光周期途径、自主途径和赤霉素途径,其中植物春化作用一直是植物发育生物学研究的热点和难点。

春化作用是指某些植物必须经历一段时间的持续低温才能由营养生长阶段转入生殖阶段生长的现象。解析植物如何感知低温时期,并在气温上升后能“记住”其低温经历以适时开花的分子机制,具有重要的理论和实际应用价值。它可确保植物在破坏性的冬季避免开花,而在温暖的春季或夏季开花。该机制的解析与作物栽培、引种驯化、杂交育种等密切相关。

先前的研究表明,模式开花植物拟南芥的开花受到一个叫做FLOWERING LOCUS C (FLC) 基因的抑制。在低温条件下,包裹在该基因DNA周围的组蛋白被逐步修饰,进而导致该基因的表达关闭,最终让植物在气温上升后、能够从发育的“生长”阶段切换到“开花”阶段。虽然早期的研究已经确定了参与FLC基因关闭的调节蛋白,但对参与该过程的调节因子及作用机制却知之甚少。何跃辉研究组在早期的研究中揭示了超级蛋白复合体CBC-COMPASS 和 CBC-EFS协同互作,通过调控组蛋白H3K4me3和H3K36me3的修饰提高FLC 基因表达水平(Li et al., Nature Plants,2016)。在该研究中,何跃辉研究组发现一个顺式DNA元件与一个识别该元件并同时识别组蛋白标记的反式蛋白、协同调控低温介导的抑制性组蛋白修饰-H3K27me3,从而沉默FLC基因表达。这一顺式元件与其反式蛋白的互作亦使植物在气温上升后能“记记”(保持)低温诱导的FLC沉默,使植物只在温暖的季节开花。

该研究揭示了冷记忆顺式DNA元件与其识别蛋白在开花调控中发挥重要功能,是植物开花调控分子机制的重要进展。该研究不仅在表观遗传修饰调控植物开花的分子机制上迈出了关键的一步,同时也为其在花期调控的生产应用提供了新的作用靶点。

该工作得到了中科院经费的支持。(来源:中国科学院上海生命科学研究院

 
 
 
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