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浙江大學(xué)劉建祥課題組揭示植物高溫脅迫記憶新機(jī)制
近年來，氣候變暖趨勢顯著。高溫嚴(yán)重影響植物的生長發(fā)育，成為農(nóng)作物減產(chǎn)的主要原因之一。高溫誘導(dǎo)一系列脅迫應(yīng)答基因表達(dá)水平上調(diào)，植物在遭受高溫脅迫后短時間內(nèi)會通過“轉(zhuǎn)錄記憶”的方式維持一部分上調(diào)基因的表達(dá)水平。然而，我們這其中的分子機(jī)制仍然是知之甚少。
2020年12月5日，浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院劉建祥課題組在The Plant Journal 在線發(fā)表了題為“Histone H3K4 methyltransferases SDG25 and ATX1 maintain heat stress gene expression during recovery in Arabidopsis”的研究論文，揭示了擬南芥組蛋白H3K4*基化轉(zhuǎn)移酶SDG25和ATX1調(diào)控高溫脅迫應(yīng)答和轉(zhuǎn)錄記憶的新機(jī)制。在高溫脅迫后的恢復(fù)階段，SDG25和ATX1可以促進(jìn)脅迫應(yīng)答基因的H3K4me3修飾，并阻礙其DNA甲基化修飾，以維持部分脅迫應(yīng)答基因的表達(dá)水平。
SDG25與ATX1是擬南芥Trithorax家族的組蛋白H3K4*基化轉(zhuǎn)移酶，其表達(dá)水平受高溫脅迫誘導(dǎo)上調(diào)并在脅迫恢復(fù)階段仍維持較高表達(dá)水平。遺傳分析表明，SDG25與ATX1的功能缺失突變體對高溫脅迫的敏感性增強(qiáng)。RNA-Seq數(shù)據(jù)分析表明，SDG25與ATX1不僅在高溫脅迫階段調(diào)控了大量脅迫應(yīng)答基因的表達(dá)，而且在恢復(fù)階段對脅迫應(yīng)答基因表達(dá)水平的維持也發(fā)揮著重要作用。RNA-Seq與全基因組甲基化測序（WGBS）以及ChIP-qPCR的聯(lián)合分析表明，在高溫脅迫恢復(fù)階段，相對于野生型，SDG25與ATX1的功能缺失導(dǎo)致其調(diào)控的一系列脅迫應(yīng)答基因在恢復(fù)階段表達(dá)水平降低，基因位點上的H3K4me3富集程度減少，而DNA甲基化修飾水平增加。
因此，該研究揭示了在高溫脅迫恢復(fù)階段，植物可以通過組蛋白H3K4*基化轉(zhuǎn)移酶維持脅迫應(yīng)答基因的組蛋白表觀遺傳修飾進(jìn)而降低DNA甲基化修飾來實現(xiàn)高溫脅迫的“轉(zhuǎn)錄記憶”。
浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院為論文作者單位，劉建祥教授課題組的博士后宋澤婷博士和博士生張霖霖為該論文的共同作者，劉建祥教授和宋澤婷博士為共同通訊作者。植物所周明研究員和云南大學(xué)韓佳嘉副研究員也為該研究工作提供了幫助與支持。該研究得到了國家杰出青年科學(xué)基金等項目的資助。