春化作用是指某些植物必須經(jīng)歷一段時(shí)間的持續(xù)低溫才能由營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段轉(zhuǎn)入生殖階段生長(zhǎng)的現(xiàn)象。植物如何響應(yīng)并記憶長(zhǎng)時(shí)間的低溫處理即春化作用一直是表觀遺傳學(xué)和發(fā)育生物學(xué)研究的熱點(diǎn)。解析植物如何響應(yīng)冬季低溫，并在春季氣溫上升后能“記住”其冬季低溫經(jīng)歷、以適時(shí)開(kāi)花的分子機(jī)制，具有重要的理論和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。它可確保植物避免在寒冷的冬季開(kāi)花而在溫暖的春季開(kāi)花以有利于結(jié)實(shí)。該機(jī)制的解析與作物栽培季節(jié)的選擇、跨地域的引種馴化等密切相關(guān)。
《自然》雜志在線(xiàn)發(fā)表了中科院上海植物逆境生物學(xué)研究中心何躍輝研究組完成的題為“Embryonic epigenetic reprogramming by a pioneer transcription factor in plants（植物基因在胚胎發(fā)育早期的從頭激活分子機(jī)理）”的研究論文。在本研究中，該研究組進(jìn)一步揭示了開(kāi)花后的胚胎發(fā)育早期擦除‘低溫記憶’，激活FLC基因使下一代又需經(jīng)歷冬季低溫才能在春季開(kāi)花的分子機(jī)制。
該研究組于2016年12月在Nature Genetics報(bào)道了模式開(kāi)花植物擬南芥在幼苗期，如何利用長(zhǎng)期低溫（冬季）沉默開(kāi)花抑制關(guān)鍵基因FLC的表達(dá)并隨后在常溫維持其沉默（‘低溫記憶’）的表觀遺傳機(jī)制，這一機(jī)理使植物能夠在隨后的春季開(kāi)花（春化作用）。該研究組去年在Nature Genetics報(bào)道了擬南芥營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)時(shí)期， 一類(lèi)植物特有的基因表達(dá)調(diào)控因子識(shí)別 FLC基因上的DNA模塊 （低溫記憶元件）， 從而沉默F(xiàn)LC表達(dá)；并且在氣溫上升后這些因子‘滯留’在FLC位點(diǎn)以繼續(xù)維持其沉默。這一發(fā)現(xiàn)解釋了在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段（幼苗期）擬南芥響應(yīng)和記憶冬季低溫的分子與表觀遺傳機(jī)制。
該項(xiàng)研究揭示了開(kāi)花后的胚胎發(fā)育早期擦除‘低溫記憶’，重新激活FLC基因的分子機(jī)制； 此外、研究發(fā)現(xiàn)了植物營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期的‘胚胎記憶’現(xiàn)象及調(diào)控這一現(xiàn)象的表觀遺傳機(jī)理。幼苗期的植株經(jīng)歷冬季低溫后，F(xiàn)LC位點(diǎn)一直處于關(guān)閉狀態(tài)即使春季氣溫已回升，這種關(guān)閉狀態(tài)一直到成年期開(kāi)花。開(kāi)花后、在胚胎發(fā)育早期FLC被重新激活； 此‘胎性’激活狀態(tài)會(huì)傳遞到幼苗， 這樣就形成了苗期的‘胎性記憶’（好比成年人的幼時(shí)記憶）。因FLC在秋季的幼苗中處于激活狀態(tài) （種子在秋季發(fā)芽出苗）， 從而防止植物在過(guò)冬前或過(guò)冬時(shí)開(kāi)花。
專(zhuān)家表示，這項(xiàng)研究揭示了植物早期胚胎染色質(zhì)狀態(tài)重編程的嶄新分子機(jī)制，同時(shí)也闡述了胚胎中的基因激活如何傳遞到發(fā)育后期的表觀遺傳機(jī)理，是開(kāi)花調(diào)控分子與遺傳機(jī)制的重要突破。該研究不僅具有重要的理論意義，同時(shí)也為其在作物花期調(diào)控的生產(chǎn)應(yīng)用提供了新的作用靶點(diǎn)。
據(jù)悉，逆境中心植物環(huán)境表觀遺傳學(xué)研究組的何躍輝研究員為通訊作者，陶增副研究員為第一作者；新加坡國(guó)立大學(xué)的俞皓實(shí)驗(yàn)室合作參與了本項(xiàng)研究。該工作得到了中國(guó)科學(xué)院和科技部經(jīng)費(fèi)的資助。(生物谷Bioon.com）
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