揭示桃树花芽休眠的表观遗传调控机制学术资讯

来源：植物科学最前沿

休眠现象是多年生植物对生长环境的一种适应及生存策略。生长在沙漠或热带地区的植物，炎热和干旱是其生存所面对的主要挑战，所以植物逐渐形成了干旱休眠特性。在温带地区，霜冻时常威胁植物生存，而植物在深秋时节进入休眠状态可以避免冻害的发生，因而逐步进化出了冬季休眠特性。植物一旦进入休眠状态，则必须经过一段时间的低温暴露（一般在0-7.5℃之间)，才会解除休眠。这种低温积累是必需的，如果得不到满足，植物将一直保持休眠或出现不良的生长状态。随着全球变暖的持续，世界上许多地区已无法提供足够的休眠期需冷量以适时解除植物的休眠状态，而这不可避免地会造成严重的环境和生态后果。因此，了解植物休眠的发生、解除和冷需求的调控机制具有重要的农业、环境与生态意义。近期的研究发现，在桃树（Prunus Persica）中与休眠相关的Dormancy-associated MADS-box（DAM）基因簇是一个关键的负调控位点，其受到季节性环境因素的调控，决定着花芽休眠的启动、解除，冷反应和开花速率等。然而，不同的温度体系是如何与DAM 基因簇相互作用并进行调控的，目前仍不清楚。近日，美国农业部阿巴拉契亚果树研究所联合中科院华南植物园在Horticulture Research发表了题为Thermal-responsive genetic and epigenetic regulation of DAM cluster controlling dormancy and chilling requirement in peach floral buds 的研究论文，系统研究了不同表观遗传调控元件在桃树DAM 基因簇位点上的温度响应规律及其相互作用。该研究首先证明了4°C低温会下调休眠花芽中的DAM1 和DAM3-6 的积累，并确定DAM4 的表达水平最高。同时，通过联合分析sRNA-seq，BS-seq，ChIP-seq等多组高通量测序结果，揭示了DAM 位点上的由低温诱导发生的多重表观遗传事件，这其中包括发生在DAM1 和DAM5 区域的组蛋白H3K27的三甲基化修饰（H3K27me3），在DAM3 区域产生的21-nt sRNA和在DAM4 区域产生的非编码ncRNA。这些表观调控元件的诱导积累均与相对应DAM 基因的下调表达呈负相关。另外，整个DAM 基因簇区域呈现高甲基化水平，并与24-nt sRNA的特异性积累有关。进一步研究发现，在冷激低温后的暖温环境（20°C）中，5个DAM 基因的表达均保持稳定或持续下调，而这种状态与sRNA积累，H3K27me3和CHH甲基化的显著增加相关，尤以DAM4 区域最为明显。推测这类抑制性的表观遗传标记的增加不可逆转地加强了对DAM 基因簇的抑制，以确保花朵在休眠解除之后能够正常发育。许多温带地区的果树常常面临春季霜冻的威胁，而开花时间是关系到果树能否规避冻害的重要园艺性状之一，因此这种依赖于暖温环境的对DAM 的表观遗传抑制可能与决定果树开花时间的热量需求相关联。综上，本研究揭示了桃树中DAM 基因簇的表观遗传调控网络，这将对于了解多年生果树的休眠期需冷量以及休眠解除的调控机制，灵活调控果树的花芽休眠解除及开花时间以适应气候变化的实际应用具有重要意义。

Fig. 1 Differential regulation of six DAMs by chilling in dormant peach floral buds.

中国科学院华南植物园的朱虹副研究员为本文的第一作者，曾为刘宗让课题组博士后。美国农业部USDA-ARS阿巴拉契亚果树研究所刘宗让研究员为通讯作者。该研究得到USDA-NIFA项目（3200000379-16-182）、国家自然科学基金项目（31772371）和香港中文大学AoE项目（AoE/M-403/16)的资助。

文章链接：
https://www.nature.com/articles/s41438-020-0336-y

来源：frontiersin 植物科学最前沿

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