中科院上海植物逆境中心段成国课题组发表综述“植物非生物胁迫的表观遗传调控机制”

近日，Journal of Integrative Plant Biology在线发表了中国科学院上海植物逆境生物学研究中心/分子植物科学卓越创新中心段成国课题组撰写的“Epigenetic Regulation in Plant Abiotic Stress Responses”的综述论文。该综述概述了近年来在植物应对非生物逆境胁迫响应过程中表观遗传机制参与调控的研究进展。

非生物胁迫是植物在生长发育过程中面临的环境逆境之一，例如：极端温度胁迫、干旱、高盐、ABA依赖的胁迫、营养缺乏以及紫外辐射等等。这些逆境条件大大影响了植物正常的生长发育、传代繁衍以及作物产量和品质的形成。了解植物在遭受胁迫时激发的信号网络以及响应胁迫时的分子调控机制对于提高植物抵抗外在恶劣环境的能力是非常重要的。表观遗传学旨在研究生物体中不依赖于DNA序列的影响基因表达水平的可遗传的变化，例如：DNA甲基化、组蛋白修饰、组蛋白变体以及染色质重构等。不同表观遗传修饰由特异的酶或者蛋白复合体介导催化、识别与去除，因此表观遗传修饰具有动态可逆调节等特征。

图1. 表观遗传途径对植物极端温度胁迫响应的调控

近年来的研究表明，植物在遭受非生物胁迫的过程中，胁迫响应基因的诱导通常伴随着表观修饰水平的变化，尤其是组蛋白修饰和DNA甲基化水平的变化。例如，低温处理促进响应基因上组蛋白乙酰化和H3K27me3去甲基化，从而促进CORs家族响应基因的表达，而HD2C等组蛋白去乙酰化则起到相反的作用。RdDM途径则通过DNA甲基化控制高温、高盐以及干旱等胁迫响应另外，表观遗传机制还参与了转座子介导的胁迫记忆的形成等逆境响应过程。在ABA依赖的胁迫响应中，ROS1介导的DNA去甲基化、多种组蛋白修饰（去乙酰化、H3K27me3去甲基化、泛素化）以及染色质重构因子BRM和SWI3B等，均参与了胁迫响应的调控。

图2. 表观遗传途径对ABA依赖的胁迫响应的调控

表观遗传调控与非生物胁迫响应之间存在着密切而又非常复杂的关系。该文章总结了近些年来关于表观遗传调控参与非生物胁迫响应过程的研究进展，同时也指出了关于这两个学科交叉领域研究的一些待解决的问题。动态变化的表观修饰标记使胁迫响应基因的染色质区域处于活跃易表达状态或者抑制表达状态，进而在转录或转录后水平影响这些基因的表达。但是，逆境条件如何激活表观机制对胁迫响应基因表达水平的重塑？表观“信号”如何参与到植物的“逆境记忆”过程中并遗传给后代？除了借助于模式植物拟南芥，水稻等对相关机制的研究，其它粮食作物和经济作物也可以作为研究对象，从而使人们对于这两个学科进行更加全面的探索。

段成国课题组以拟南芥、水稻和棉花等植物为研究对象，以表观遗传机制为手段，致力于探讨植物表观遗传机制及其在植物响应外界环境因子中的作用，特别是在植物与病原互作领域。段成国课题组的博士生常亚男为论文第一作者，段成国研究员为通讯作者。该研究得到了中国科学院战略先导科技专项（B类）和国家自然科学基金等项目的支持。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/jipb.12901