Nature|冬季低温调控植物开花时间表观遗传研究获重大进展

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科学网10月26日上海讯(记者黄辛)今天,《自然》杂志在线发表了中科院上海植物逆境生物学研究中心何跃辉研究组完成的题为"Embryonic epigenetic reprogramming by a pioneer transcription factor in plants(植物基因在胚胎发育早期的从头激活分子机理)"的研究论文.在本研究中,该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.

    据悉,该研究组于2016年12月在Nature Genetics报道了模式开花植物拟南芥在幼苗期,如何利用长期低温(冬季)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(‘低温记忆’)的表观遗传机制,这一机理使植物能够在随后的春季开花(春化作用).

    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一直是表观遗传学和发育生物学研究的热点.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,具有重要的理论和实际应用价值.它可确保植物避免在寒冷的冬季开花而在温暖的春季开花以有利于结实.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.

    该研究组去年在Nature Genetics报道了拟南芥营养生长时期, 一类植物特有的基因表达调控因子识别 FLC基因上的DNA模块 (低温记忆元件), 从而沉默FLC表达;并且在气温上升后这些因子‘滞留’在FLC位点以继续维持其沉默.这一发现解释了在营养生长阶段(幼苗期)拟南芥响应和记忆冬季低温的分子与表观遗传机制.

Fig1 FLC expression is de novo activated primarily by LEC1

in the pro-embryo and onwards.

    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.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,这种关闭状态一直到成年期开花.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.

    专家表示,这项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,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.该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.

    据悉,逆境中心植物环境表观遗传学研究组的何跃辉研究员为通讯作者,陶增副研究员为第一作者;新加坡国立大学的俞皓实验室合作参与了本项研究.该工作得到了中国科学院和科技部经费的资助.

Embryonic epigenetic reprogramming by a pioneer transcription factor in plants 

Nature ( IF 40.137 ) Pub Date : 2017-10-25 , DOI: 10.1038/nature24300 

Zeng Tao, Lisha Shen, Xiaofeng Gu, Yizhong Wang, Hao Yu, Yuehui He

Epigenetic modifications, including chromatin modifications and DNA methylation, have a central role in the regulation of gene expression in plants and animals. The transmission of epigenetic marks is crucial for certain genes to retain cell lineage-specific expression patterns and maintain cell fate. However, the marks that have accumulated at regulatory loci during growth and development or in response to environmental stimuli need to be deleted in gametes or embryos, particularly in organisms such as plants that do not set aside a germ line, to ensure the proper development of offspring. In Arabidopsis thaliana, prolonged exposure to cold temperatures (winter cold), in a process known as vernalization, triggers the mitotically stable epigenetic silencing of the potent floral repressor FLOWERING LOCUS C (FLC), and renders plants competent to flower in the spring; however, this silencing is reset during each generation. Here we show that the seed-specific transcription factor LEAFY COTYLEDON1 (LEC1) promotes the initial establishment of an active chromatin state at FLC and activates its expression de novo in the pro-embryo, thus reversing the silenced state inherited from gametes. This active chromatin state is passed on from the pro-embryo to post-embryonic life, and leads to transmission of the embryonic memory of FLC activation to post-embryonic stages. Our findings reveal a mechanism for the reprogramming of embryonic chromatin states in plants, and provide insights into the epigenetic memory of embryonic active gene expression in post-embryonic phases, through which an embryonic factor acts to ‘control’ post-embryonic development processes that are distinct from embryogenesis in plants.

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导师风采：

何跃辉研究员简介

职称:研究员职务 :研究组长、博士生导师 获奖及荣誉: 2015年入选上海"千人计划"

简历:

1997.8 -2001.8 美国 肯塔基大学 植物生理学 博士

2001.10-2005.7美国 威斯康星大学麦迪逊分校 博士后

2005.8-2011.12新加坡国立大学 助理教授

2012.1-2014.8 新加坡国立大学 副教授(教职职位)

2006.6-2011.12 淡马锡生命科学研究所 研究员

2012.1-2014.8 淡马锡生命科学研究所 资深研究员

2014.8 -  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 研究员研究方向:植物花期调控的分子与表观遗传机理,植物发育表观遗传学

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