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何跃辉团队揭示植物“冬季低温记忆”代际传递的母系遗传机制
2020-9-22 10:43
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北京时间2020年9月21日晚23时,中国科学院上海植物逆境生物学研究中心/分子植物科学卓越创新中心何跃辉课题组在Nature Plants发表了题为“Maternal transmission of the epigenetic ‘memory of winter cold’ in Arabidopsis”的研究论文。


该研究揭示了长期低温(寒冬)诱导的“春化”状态(或“冬季低温记忆”)通过卵细胞传递给合子和早期胚胎的母系遗传机制。



有些植物可以记住过去的环境经历,以适应特定的生境。植物的“环境经历记忆”能否以及如何传递或遗传给下一代仍不清楚。许多生长在高纬度地区的越冬植物,必须经历一段时间的持续低温(寒冬)才能获得在春季开花的潜力(即春化作用)。


春化作用受表观遗传机制调控。在模式植物拟南芥中,长期低温通过多梳(Polycomb)蛋白介导的染色质修饰(组蛋白H3第27位赖氨酸三甲基化,H3K27me3)关闭抑制开花的转录因子FLC,该位点的沉默状态在气温回升后(春季回暖)仍然被维持(“冬季低温记忆”),从而使植物获得了在春天开花的潜力。


何跃辉课题组近年来对拟南芥“冬季低温记忆”的形成、维持及重置(擦除)的分子表观遗传机制进行了深入系统研究,揭示了“冬季低温记忆”形成的分子调控元件及重置机制(Yuan et al. Nature Genet 2016; Tao et al. Nature 2017; Tao et al. Nature Plants 2019)。


“冬季低温记忆” 虽然在当代稳定,但在种子(下一代)发育过程中被重置,最终每一代都要经历寒冬后在春季开花。之前的研究认为在有丝分裂过程中“冬季低温记忆”从母细胞传递给了子细胞(即在当代稳定),但不能通过减数分裂传递(即该记忆在配子中已丢失)。“春化”状态能否通过配子遗传下一代(如早期胚胎/种子)仍未知。


在最新发表的这项研究中,何跃辉课题组通过遗传、分子和细胞生物学等方法发现在拟南芥配子形成过程中卵细胞携带“冬季低温记忆”(即长期低温诱导形成的FLC染色质沉默状态),但该记忆在精细胞中已丢失;进一步的分析表明亲本的“春化”状态通过卵细胞遗传给早期胚胎,即母系遗传(图1)。

 


图1:染色质状态介导的植物“冬季低温记忆”母系遗传机制


该发现改写了“春化”状态传递的经典概念:“春化”状态可通过减数分裂传递给配子(雌配子),并揭示了染色质介导的植物环境记忆通过雌配子遗传给下一代(早期胚胎)的代际传递机制。


此外,这项研究发现父本FLC染色质的沉默标记虽然已丢失,但其表达在胚胎发育早期仍被抑制,在胚胎发育的后期父本FLC才被完全激活。目前,胚胎发育早期母本和父本FLC沉默的生物学意义尚待厘清。该机制的解析对我们认识植物如何适应环境具有重要的科学意义。


何跃辉课题组的罗晓(副研究员)、藕洋(博士生)和李人杰(博士生)为共同第一作者。何跃辉研究员为该论文的通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委和中国科学院相关经费的资助。


相关论文信息:

https://doi.org/10.1038/s41477-020-00774-0


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