北京时间2024年1月4日，Nature Plants在线发表了北京大学现代农业研究院何跃辉研究组关于冬小麦春化重置的研究文章，阐述了冬小麦“春化记忆”重置与冬性在子代复原的两步分子机制，发现TaVRN1位点的表观标记-组蛋白甲基化修饰（H3K4me3、H3K36me3和H3K27me3）在春化过程及小麦世代交替中与其抑制/激活状态密切相关。

北京大学现代农业研究院何跃辉教授为通讯作者，北京大学现代农业研究院牛德副研究员和北京大学现代农学院高政博士为共同第一作者。

在开花植物中，适时开花对于植物的成功繁殖至关重要。在温带地区，许多越冬植物需要在冬季经历一段较长时间的持续低温天气（春化过程）才能在来年春季合适条件下开花。小麦作为最重要的粮食作物之一, 广泛种植于温带地区，其中的冬小麦品种同样需要经历春化过程来确保来年春夏季开花结实。VRN1, VRN2 和VERNALIZATION 3 (VRN3) 组成了小麦的核心春化调控网络，VRN1及VRN2的激活与抑制决定了小麦的春、冬性。在春化前，促进成花转变的核心转录因子VRN1处于沉默状态，而抑制成花转变的转录因子VRN2处于激活状态；持续低温逐渐激活VRN1表达，并抑制VRN2的表达；春化（冬季）结束后，高水平的VRN1蛋白激活VRN3（拟南芥FT的同源基因，编码成花素蛋白）表达，最终促进小麦进入生殖生长（开花）。冷诱导的VRN1表达激活状态及VRN2抑制状态在春天升温后的小麦生长发育过程中得以维持，形成“越冬记忆”。为保证子代植株同样需要经历寒冬（春化）后才能开花，这种“越冬记忆”也必须在某一时期以某种方式进行重置，但长期以来我们对此知之甚少。

近日，何跃辉课题组的一项研究成果对此进行了解答。研究人员首先结合实时定量PCR技术和新型原位杂交技术发现TaVRN1受冷诱导后在叶片的叶肉细胞和叶脉中均有表达，而TaVRN2仅在叶片的维管组织中表达。随后的研究发现冷诱导的TaVRN1激活状态可以维持到胚发育早期，但随着胚发育的进行而逐渐被抑制，而冷诱导的TaVRN2抑制状态在子代种子萌发时被光信号快速激活表达。接下来，研究人员发现TaVRN1位点的表观修饰（H3K4me3、H3K36me3和H3K27me3）在春化过程及小麦世代交替中与其抑制/激活状态密切相关。研究者进而利用CRISPR-Cas9技术对小麦中一个H3K27me3修饰阅读蛋白TaRVR1进行了突变，证实了染色质修饰参与调控TaVRN1的激活与抑制，进而调控冬小麦春化过程的分子机制。基于这些发现，研究者提出了一个持续低温及发育信号调控VRN1表达的工作模型（图1）。

图1：表观修饰参与调控TaVRN1激活与抑制

这项研究揭示了冬小麦“春化记忆”重置与冬性恢复的两步分子机制，为全面深入研究冬小麦春化分子调控机制指出了方向，也为遗传改良小麦春冬性提供了思路。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41477-023-01596-6