高温传代记忆的表观遗传机制研究取得新进展

全球环境气候变化带来的频繁高温胁迫是植物面临的主要的非生物胁迫之一，对农业生产和粮食安全造成严重威胁。研究发现植物一段时间的高温响应能通过减数分裂传递给下一代，即使后代没有受到逆境影响也能形成传代记忆，增强植物后代对逆境的适应性。表观遗传修饰在调节植物的生长发育和响应逆境胁迫等方面发挥了重要作用，参与调控植物逆境响应的表观遗传修饰包括DNA甲基化、组蛋白变体与修饰、染色质重塑、小分子RNA、长非编码RNA等。中国科学院遗传与发育生物学研究所曹晓风研究组前期研究发现，组蛋白去甲基化酶REF6通过自身的串联锌指结构域识别特异DNA基序，进而特异性的去除靶位点上组蛋白H3K27me3/me2甲基化修饰，激活靶基因的转录。中国科学院植物生理生态研究所何祖华研究组前期研究发现，环境温度从22oC升高到30oC能够促进siRNA生成途径中的关键蛋白SGS3(SUPPRESSOR OF GENE SILENCING 3)的降解，导致ta-siRNA(trans-acting siRNA)的下降，进而抑制内源转录后基因沉默(Posttranscriptional Gene Silence, PTGS)。高温环境引起的PTGS的抑制作用在接下来22oC种植的后代中也能观察到，即表现出传代记忆效应。然而，植物对高温传代记忆的具体机制以及传代记忆如何影响植物的生长发育仍不清楚。

曹晓风与何祖华研究组合作，利用遗传学、生物化学和分子生物学等研究手段，揭示了表观遗传修饰在植物响应高温胁迫和传代记忆中的作用机制。研究人员发现，高温能够促使拟南芥提早开花和增加拟南芥的感病性，同时也可以传递给下一代，表现出传代记忆效应。通过遗传筛选手段，研究者鉴定到一个F-box泛素连接酶SGIP1(SGS3-INTERACTING PROTEIN1)参与高温环境下SGS3的蛋白降解，而高温对SGIP1的上调表达同样具有传代记忆。对传代记忆机制的深入研究表明，高温能激活热激转录因子HEAT SHOCK TRANSCRIPTION FACTOR A2(HSFA2)。HSFA2能靶向激活H3K27me3去甲基化酶REF6，REF6的上调表达又能反过来降低HSFA2位点上的H3K27me3修饰水平，从而减弱H3K27me3对HSFA2转录的抑制作用。因此，REF6和HSFA2形成一个正向反馈回路从而维持了植物对高温的传代记忆。这个反馈循环能够激活泛素连接酶SGIP1的表达，进而通过降解SGS3蛋白抑制ta-siRNAs的产生。REF6-HSFA2反馈回路和ta-siRNA含量下降共同作用，上调了REF6、HSFA2和ta-siRNA的共同靶标HEAT-INDUCED TAS1 TARGET 5(HTT5)的表达，最终导致植物开花提前和感病性增加的表型。

该研究揭示了一个植物高温传代记忆的复杂的表观遗传调控网络，阐释了高温促进植物提前开花同时以降低抗病性为代价来保证植物能顺利繁衍后代和适应高温逆境的分子机制。该研究成果不仅加深了我们对逆境响应和记忆机制的理解，而且对作物的高产多抗性状改良提供了新的思路与技术途径。

上述研究成果于2019年2月18日在Cell Research在线发表（DOI:10.1038/s41422-019-0145-8）。中科院植物生理生态研究所何祖华研究组博士后刘军钟、博士生冯丽丽、顾雪婷及中科院遗传发育所曹晓风研究组邓娴副研究员为该论文的共同第一作者，何祖华研究员和曹晓风研究员为共同通讯作者。该研究由国家自然科学基金委、中国科学院、植物分子遗传国家重点实验室、植物基因组学国家重点实验室、中国博士后科学基金和中国科学院青年创新促进会提供经费支持。

图: REF6-HSFA2正向反馈回路参与高温传代记忆模式