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ChIP-seq发现植物感知春化信号的关键基因
2018-10-25

春化处理(vernalization)是为了促进花芽形成,对发芽种子给予一定时间的低温处理的行为。由于低温处理带来了春天,因此这个行为叫做春化处理。

植物的春化实际是一种表观遗传现象,某些关键基因(如VRN1)的组蛋白修饰发生了变化。但关于全基因组范围的组蛋白修饰变化研究甚少,在这项研究中,作者通过H3K4me3和H3K27me3的ChIP-seq描绘了春化过程中全基因组的组蛋白修饰变化全景。H3K27me3在春化及春化的表观记忆维持中起作用。

选材:二穗短柄草(Brachypodium distachyon)。二穗短柄草是典型单子叶植物模型,具有完整基因组信息,需要春化处理萌芽,且与温带谷物有相近的进化关系。

实验处理条件:

1. 常温处理。昼夜温度分别为24°C : 22°C,昼夜时长分别为16 h : 8 h,光照条件:5500 lx;

2. 低温(春化)处理。昼夜温度为4°C±1°C,昼夜时长分别为16 h : 8 h,光照条件:3000 lx。

ChIP-seq实验设计:

对照组V0:籽苗常温培养17天,无低温处理;

V30:籽苗常温培养14天,低温处理30天;

V30N:籽苗常温培养7天,低温处理30天,再常温培养7天,观察春化后一段时间的变化;

在植物三叶期阶段收集并进行ChIP-Seq(为避免受到生理节律的影响,在一天的同一时间点收集样本),每组均为3个生物学重复。

 ChIP-seq结果:H3K4me3和 H3K27me3是两个春化过程中的重要表观修饰,对基因调控的作用相反,它们主要分布于富含基因的常染色质区域。VRN1是已知春化关键基因,H3K4me3主要分布于基因VRN1的转录起始位点(TSS),通过春化处理,H3K4me3在TSS附近的分布增加;而H3K27me3可分布于VRN1的整个基因body,经过春化处理,H3K27me3水平降低,这两种组蛋白修饰的变化在春化处理后一段时间仍可保持(a)。对照基因ACTIN和BM9则未见明显的组蛋白修饰变化。

 

通过与RNA-seq数据关联分析组蛋白修饰与表达量之间的调控关系:H3K27me3修饰的基因在春化过程中表达量降低,H3K27me3与基因抑制调控有关。

组蛋白修饰水平时序分析结果:春化处过程中,众多基因的H3K4me3和 H3K27me3水平发生变化,为了研究这些基因的作用,作者将这些基因根据变化趋势进行分类,在春化、春化后一段时间基因表达趋势为上调-上调、上调-保持、下调-下调、下调-保持的这些基因可对春化处理进行响应和维持;另一些表达趋势为上调-下调或下调-上调的基因,在春化处理后即逐渐恢复原有水平,这些基因可能是对低温进行响应。

VRN1是已被证明的春化处理中重要的表观调控基因,在这项研究中,作者发现了另一个重要的春化影响基因,能促进开花的VRN3(FT2),而且在研究的4个开花相关的通路中,只有这两个基因的H3K4me3和H3K27me3有显著变化,变化趋势也非常一致。春化过程中VRN1和FT2的H3K4me3修饰增加、H3K27me3修饰降低,与此同时,VRN1和FT2的表达量也显著增加,VRN1和FT2的组蛋白修饰和表达水平,在春化处理后一段时间仍可维持,说明这两个基因与春化的表观记忆相关。

此外作者还分析了日照时长对春化效果的影响,结果显示,长日照的处理效果要好得多。研究还发现春化途径的多个基因受到影响,如VRN2的H3K4me3修饰和表达量上调,VRT2的H3K27me3修饰上调同时表达量下调。此外,其他途径如光照、生物钟相关的一些基因也发生了表观修饰变化,基因PRR5、FKF1的H3K4me3上调,CHE、COP1的H3K4me3下调。

多个基因与春化表观记忆相关:在组蛋白修饰时序分析中,有4类基因(变化趋势分别为上调-上调、上调-保持、下调-下调、下调-保持)在春化后仍然维持组蛋白修饰状态。其中H3K4me3修饰记忆相关基因与营养物质的新陈代谢相关,H3K27me3修饰记忆与物质定位和运输、压力应答、脂类合成等相关。H3K27me3更多的在春化及春化的表观记忆维持中起作用,这些维持春化作用的基因,分布于不同的生理生化途径中,表明春化中的表观遗传记忆不仅控制开花,同时也调控多种生物学过程,使植物为由营养生长阶段转入生殖生长做好准备。

 

参考文献

Huan, Q. , Mao, Z. , Chong, K. and Zhang, J. (2018), Global analysis of H3K4me3/H3K27me3 in Brachypodium distachyon reveals VRN3 as critical epigenetic regulation point in vernalization and provides insights into epigenetic memory. New Phytol, 219: 1373-1387.