上海生科院植物春化作用表观遗传机制研究取得重要进展

如我所知,在植物尤其是农作物种植过程中,对于各个发育阶段的管理十分重要,直接影响到农作物种植的产量和品质。因此,在农作物种植过程中,若是能够通过掌握各个生长阶段的特性,采取相应的管理措施,定能令农业生产事半功倍。据消息称,近日,中国农业科学院生物技术研究所与美国加州大学伯克利分校合作在调控植物发育的协同作用机制方面取得重要进展。图片 1图:农作物
植物生长过程中各个发育阶段的转换和特定基因的表达对于植物生长非常重要,甚至会影响到植物尤其是农作物的产量,阐明植物发育时期的分子调控机理对于生物学基础理论和农业生产都具有重要的意义。以往的研究认为拟南芥两个表观遗传调控复合体Polycomb
Group和trithorax
Group通过拮抗作用来抑制或激活开花基因,从而控制营养生长到生殖生长期的转换。但是这两类蛋白在其他发育过程中的功能知之甚少。图片 2图:农作物
该研究通过分析PcG和trxG基因功能缺失的三突变体,首次发现trxG和PcG复合体的功能在苗期的种子基因调控中存在协同作用方式,而不是传统认为的拮抗作用。进一步的研究证明了trxG和PcG蛋白可以通过调控染色体的动态结构,协同抑制苗期种子发育相关基因的异位表达,从而维持植物正常的营养生长。研究结果对于揭示PcG和trxG介导的基因表达和沉默途径之间的相互作用机制以及植物发育时空表达调控的表观遗传调控新机理提供了重要依据。

近日,中国农业科学院生物技术研究所与美国加州大学伯克利分校合作在调控植物发育的协同作用机制方面取得重要进展。相关研究成果于2月9日在线发表在《分子植物》上。图片 3
植物生长过程中各个发育阶段的转换和特定基因的表达对于植物生长非常重要,甚至会影响到植物尤其是农作物的产量,阐明植物发育时期的分子调控机理对于生物学基础理论和农业生产都具有重要的意义。以往的研究认为拟南芥两个表观遗传调控复合体Polycomb
Group 和trithorax Group
通过拮抗作用来抑制或激活开花基因,从而控制营养生长到生殖生长期的转换。但是这两类蛋白在其他发育过程中的功能知之甚少。该研究通过分析PcG和trxG基因功能缺失的三突变体,首次发现trxG和PcG复合体的功能在苗期的种子基因调控中存在协同作用方式,而不是传统认为的拮抗作用。进一步的研究证明了trxG和PcG蛋白可以通过调控染色体的动态结构,协同抑制苗期种子发育相关基因的异位表达,从而维持植物正常的营养生长。研究结果对于揭示PcG和trxG介导的基因表达和沉默途径之间的相互作用机制以及植物发育时空表达调控的表观遗传调控新机理提供了重要依据。
该研究得到北京市自然科学基金委和中国农科院青年英才项目的资助。

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“这项研究不仅具有重要的理论意义,同时也为其在作物花期调控的生产应用提供了新的作用靶点。”何跃辉表示,“将研究结果运用到农作物生产上,能提升农作物种子产量,对季节性花卉的培育也有重要意义。”

上海生科院植物春化作用表观遗传机制研究取得进展

中科院上海植物逆境生物学研究中心何跃辉研究组揭示了开花后的胚胎发育早期擦除“低温记忆”,激活负调控开花的FLC基因,使下一代又需经历冬季低温才能在春季开花的分子机制。近日,这一研究成果在线发表于《自然》杂志。

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。植物如何响应并记忆长时间的低温处理即春化作用,是表观遗传学和发育生物学的研究热点。解析植物如何响应冬季低温,并在春季气温上升后能“记住”其冬季低温经历、以适时开花的分子机制,具有理论和实际应用价值。这可确保植物在破坏性的冬季避免开花,而在温暖的春季开花结实。该机制的解析与作物栽培、引种驯化、杂交育种等密切相关。

据介绍,研究人员发现了植物营养生长期的“胚胎记忆”现象及调控这一现象的表观遗传机理。幼苗期的植株经历冬季低温后,FLC位点一直处于关闭状态。即使春季气温已回升,这种关闭状态也会一直持续到成年期开花。开花后,在胚胎发育早期FLC被重新激活;此“胎性”激活状态会传递到幼苗,这样就形成了苗期的“胎性记忆”(好比成年人的幼时记忆)。因FLC在秋季的幼苗中处于激活状态(种子在秋季发芽出苗),从而防止植物在过冬前或过冬时开花。

10月26日,中国科学院上海生命科学研究院上海植物逆境生物学研究中心何跃辉研究组,以Embryonic
epigenetic reprogramming by a pioneer transcription factor in
plants
为题的研究论文,在线发表在Nature上。2016年12月,何跃辉研究组在Nature
Genetics
报道了模式开花植物拟南芥在营养生长阶段如何利用长期低温沉默开花抑制关键基因FLC的表达,并随后在常温维持其沉默的表观遗传机制,这一机理使植物具备了在春季开花的能力。在研究中,研究组进一步揭示了开花后的胚胎发育早期擦除“低温记忆”,激活FLC基因使下一代又需经历冬季低温才能在春季开花的分子机制。

这项研究成果揭示了植物早期胚胎染色质状态重编程的崭新分子机制,同时也阐述了胚胎中的基因激活如何传递到发育后期的表观遗传机理,是开花调控分子与遗传机制的重要突破。

研究揭示了植物早期胚胎染色质状态重编程的崭新分子机制,阐述了胚胎中的基因激活如何传递到发育后期的表观遗传机理,是开花调控分子与遗传机制的重要突破。该研究具有重要的理论意义,也为其在作物花期调控的生产应用提供了新的作用靶点。

据悉,2016年12月,该研究组报道了模式开花植物拟南芥在幼苗期,如何在长期低温条件下沉默开花抑制关键基因FLC的表达,并随后在常温维持其沉默的表观遗传机制,这一机理使植物能够在随后的春季开花。

研究组前期报道了拟南芥营养生长时期,一类B3转录因子VAL1或VAL2可识别负调控开花的关键基因FLC的顺式DNA元件,并且招募PRC2复合体催化FLC位点组蛋白H3第27位赖氨酸的三甲基化,从而沉默FLC表达,气温上升后VAL蛋白“滞留”FLC位点以维持其沉默。这一发现解释了在营养生长阶段拟南芥响应和记忆冬季低温的分子与表观遗传机制。

(原载于《中国科学报》 2017-10-31 第1版 要闻)

论文链接

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生长阶段的现象。该机制的解析与作物栽培季节的选择、跨地域的引种驯化等密切相关。

该项研究揭示了开花后的胚胎发育早期擦除“低温记忆”,重新激活FLC基因的分子机制;此外,研究发现了植物营养生长期的“胚胎记忆”现象及调控这一现象的表观遗传机理。营养生长阶段的植株经历春化作用后,FLC位点的组蛋白携带大量的H3K27me3等标记,处于沉默状态,直至受精作用完成。在胚胎发育早期FLC被一个种子特有的“先驱”转录因子(Pioneer
transcription
factor)重新激活,组蛋白上的抑制转录的H3K27me3被逐步消除,促进FLC表达的组蛋白修饰被大量地添加上去,FLC的激活表达持续整个胚胎发育时期;此激活状态在种子发芽出苗后,因组蛋白标记在细胞分裂中的传递得以维持,形成了苗期的“胚胎FLC表达记忆”,从而防止植物在过冬前或过冬时开花。

新加坡国立大学俞皓实验室参与了该项研究。研究工作得到了中科院和科技部的资助。

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