南科大吴柘团队揭示模式植物拟南芥种子萌发在染色质水平调控的关键机制
2022年05月24日 科研新闻 浏览量 :1974

近日,南方科技大学生命科学学院助理教授吴柘课题组在植物学期刊The Plant Cell在线发表了题为“Progressive chromatin silencing of ABA biosynthesis gene permits seed germination in Arabidopsis”的研究论文,揭示了植物激素ABA的生物合成基因在染色质水平被选择性沉默对于种子萌发起到的门控作用。在分子水平,该研究展示了RNA结合蛋白 RZ-1与组蛋白修饰复合物 PRC2 在染色质水平协同工作、在关键发育基因上建立及维持基因沉默、从而介导种子萌发的详细机制,为种子萌发以及植物表观遗传调控提供了新的知识参考。

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众所周知,种子不仅是农业生产的产品——粮食,也直接关系到农业生产的第一步——播种。种子播种后,快速、均一、高效的萌发一直是农业生产上追求的理想性状和控制目标。植物种子通常可以在干燥环境中保持较长时间的活力。在遇到有利的生长环境时,如充足的水分、合适的温度和光照等,种子会启动萌发程序并迅速成长为新的植株。从休眠的胚胎转变为活跃生长的幼苗这一关键发育过程涉及上万个基因的表达变化,此前不知道究竟哪些基因表达的变化对萌发过程是关键的。此外,对基因表达的控制常需要染色质水平机制的参与,在染色质水平种子萌发如何被调控,也是悬而未决的重要问题。

作为本研究的切入点,吴柘实验室长期关注模式植物拟南芥中两个功能冗余的RNA结合蛋白RZ-1B/1C,rz-1b/1c双重缺失突变体表现出种子萌发的剧烈延迟。结合基因表达模式、激素及抑制剂处理后的表型分析以及植物激素脱落酸(ABA)含量测定,研究人员发现rz-1b/1c突变体萌发延迟的原因是种子中ABA水平的升高。与此对应,研究人员发现ABA合成途径中限速酶(9-顺式环氧类胡萝卜素双加氧酶)的编码基因NCEDs、以及ABA信号途径关键因子编码基因ABI3在野生型中随萌发进程其表达量逐渐降低并保持沉默状态,而在rz-1b/1c突变体中这些基因表达存在不同程度的激活。进一步的遗传学研究显示,将rz-1b/1c与nced6或abi3突变体杂交后可以完全或部分回复其萌发表型(图1),表明RZ-1通过沉默ABA生物合成和信号基因来促进萌发。

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图1:与ABA合成或信号突变体杂交可回复rz-1b rz-1c萌发表型

此前吴柘课题组在Molecular Plant期刊上发表了eCLIP-seq数据,证明RZ-1能在拟南芥幼苗体内直接结合RNA;在本研究中,研究人员针对种子中的不同亚细胞组分别开展了RNA免疫沉淀实验,证明萌发过程中RZ-1在染色质水平结合NCED6和ABI3的新生RNA,显示其是RZ-1的直接作用底物。由于野生型幼苗期NCED6和ABI3位点上存在H3K27me3这一经典的沉默型染色质修饰,研究人员进一步探究了PRC2介导的染色质沉默机制是否也参与了上述基因的沉默过程。与野生型种子相比,PRC2 缺陷突变体swnclf同样表现出萌发延迟,而rz-1b rz-1c swnclf四重突变体几乎完全不能萌发;在此基础上构建rz-1b rz-1c swnclf aba1五重突变体则又能重新正常萌发,说明RZ1和PRC2通过协同作用抑制ABA的合成进而对萌发起到门控作用。进一步的mRNA-seq分析发现RZ1和PRC2在萌发过程中共同参与了对包括NCED6和ABI3在内大量基因的沉默,在基因表达上RZ1和PRC2也存在协同作用(图2)。

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图2:RZ-1与PRC2在种子萌发及对应的基因表达调控上存在协同效应

为了探究 RZ-1 与 PRC2 协同调控的可能机制,研究人员利用蛋白质谱分析找到了在吸涨种子中与RZ-1关联的蛋白。其中参与组蛋白修饰的一类蛋白引起了他们的兴趣,包括组蛋白去乙酰化酶HDA19、H3K4me3的识别蛋白AL以及PRC2复合体的外周组分MSI1、DDB1-CUL4等。通过对种子萌发过程中组蛋白修饰(H3K27me3、H3K27me3 和 H3Ac)水平进行测定,结合相关突变体表型检测以及HDA19的染色质结合测定,研究人员发现在NCED6及ABI3等重要基因上,存在一个渐进式的染色质沉默过程。在萌发早期,这些基因上H3K27me3尚未建立,此时由RZ-1部分通过帮助组蛋白的去乙酰化来介导基因表达在转录水平进行沉默(图3),转录水平的沉默进一步为PRC2的介入创造了条件,并最终在萌发后幼苗早期完成H3K27me3的建立并达成对这些位点稳定的染色质沉默(图4)。值得注意的是,RZ-1和PRC2不是传统意义上的遗传学上下游关系,而是一种相互补充和协同的关系;RZ-1在H3K27me3尚未建立时发挥最大作用,同时帮助了H3K27me3的及时建立,从而达到高效及时的基因沉默。

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图3:RZ-1参与了种子萌发过程中需要沉默的关键基因上组蛋白修饰的变化 

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图4:RZ-1与PRC2协同调控种子萌发的可能机制 

该成果是吴柘继2016年在The Plant Cell、2020年在Molecular Plant上报道rz-1b rz-1c双突变体表型以及RZ-1蛋白的RNA结合模式之后,针对种子萌发这一发育过程的调控取得的又一项重要进展。吴柘课题组高级研究学者杨德月、博士后赵凤利为论文共同第一作者,吴柘为论文通讯作者,南科大是论文第一单位。北京大学教授瞿礼嘉在课题起始阶段给予了关键性指导并提供了部分实验材料。南京农业大学教授吴玉峰、河南大学教授陈敏、南科大教授陈曦、杜嘉木分别从生物信息分析、萌发实验设计、ChIP-seq体系建立及实验结果解释方面参与了本项研究。中科院昆明植物所研究员齐金峰、吴建强为种子中ABA的测定提供了帮助,英国John Innes Centre的教授Caroline Dean、南科大教授郭红卫、农科院基因组所研究员向勇和中国农大教授李继刚也为本研究提供了宝贵意见。该研究得到了国家自然科学基金、广东省创新创业团队、深圳市科创委以及广东省植物细胞工厂分子设计重点实验室基金的资助。

 

论文链接: https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koac134/6581715?login=true 

 

供稿:生命科学学院

文字:杨德月、吴柘

通讯员:付文卿

主图:丘妍

编辑:朱增光

 


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