Plant Cell | 南方科技大学吴柘团队揭示拟南芥种子萌发在染色质水平调控的关键机制

责编 | 奕樊

种子不仅是农业生产的重要产品（粮食），也直接关系到农业生产的第一步——播种。播种后，快速、均一、高效的萌发一直是农业生产上追求的理想性状和控制目标。种子通常可以在干燥环境中保持较长时间的活力。在遇到有利的生长环境时，如充足的水分、合适的温度和光照等，种子会启动萌发程序并迅速成长为新的植株。从休眠的胚胎转变为活跃生长的幼苗这一关键发育过程涉及上万个基因的表达变化，此前不知道究竟哪些基因表达的变化对萌发过程是关键的？此外，对基因表达的控制，尤其是对表达的稳定抑制，常需要染色质水平机制的参与，而在染色质水平种子萌发如何被调控也是悬而未决的重要科学问题。

5月6日，南方科技大学生命科学学院吴柘助理教授课题组在The Plant Cell在线发表了题为“Progressive chromatin silencing of ABA biosynthesis gene permits seed germination in Arabidopsis”的研究论文，揭示了ABA的生物合成基因在染色质水平被选择性沉默对于种子萌发起到的门控作用。同时，该研究展示了RNA结合蛋白 RZ-1与组蛋白修饰复合物 PRC2 在染色质水平协同工作，在关键发育基因上建立及维持基因沉默，从而介导种子萌发的详细机制。

作为切入点，吴柘实验室此前关注到拟南芥中两个功能冗余的RNA结合蛋白RZ-1B/1C，rz-1b/1c双重缺失突变体表现出种子萌发的剧烈延迟(Wu et al., 2016)（图A）。在本研究中，通过系统分析表型及基因表达模式结合激素含量测定，作者发现rz-1b/1c突变体萌发延迟的原因是种子中ABA含量升高。相对应，作者发现ABA合成途径中限速酶（9-顺式环氧类胡萝卜素双加氧酶）的编码基因NCEDs、以及ABA信号途径关键因子编码基因ABI3、在野生型中随萌发进程其表达量逐渐降低并保持沉默状态，而在rz-1b/1c突变体中这些基因表达存在不同程度的激活 (图B)。进一步的遗传学研究显示，将 rz-1b/1c与nced6或abi3突变体杂交后可以完全或部分回复其萌发表型（图A），而与其它nced突变体杂交则不能回复表型，表明RZ-1通过沉默NCED6及ABI3来促进萌发。

此前吴柘课题组在Molecular Plant期刊上发表了eCLIP-seq数据，证明RZ-1能在拟南芥幼苗体内直接结合RNA (Zhu et al., 2020)；在本研究中，作者针对种子中的不同亚细胞组分开展了RNA免疫沉淀实验，证明萌发过程中RZ-1在染色质水平结合NCED6 和ABI3 的新生RNA，显示它们是RZ-1的直接作用底物。由于野生型幼苗期NCED6和ABI3位点上存在H3K27me3这一经典的沉默型染色质修饰，作者进一步探究了PRC2介导的染色质沉默机制是否也参与了上述基因的沉默过程。与野生型相比，PRC2 缺陷突变体swn clf同样表现出萌发延迟，而rz-1b rz-1c swn clf 四重突变体几乎完全不能萌发；在此基础上构建rz-1b rz-1c swn clf aba1五重突变体则又能重新正常萌发，说明RZ1和PRC2通过协同作用抑制ABA的合成进而对萌发起到门控作用。进一步的mRNA-seq分析发现RZ1和PRC2在萌发过程中共同参与了对包括NCED6 和ABI3 在内大量基因的沉默，在基因表达上RZ1和PRC2也存在协同作用。

为了探究 RZ-1 与 PRC2 协同调控的可能机制，作者利用蛋白质谱分析找到了在吸涨种子中与RZ-1关联的蛋白。其中包括组蛋白去乙酰化酶HDA19、H3K4me3的识别蛋白ALs以及PRC2复合体的外周组分MSI1、DDB1-CUL4等。通过对萌发过程中组蛋白修饰（H3K27me3、H3K27me3 和 H3Ac）进行ChIP-seq，结合相关突变体表型检测以及HDA19的ChIP，作者发现在NCED6及ABI3等重要基因上，存在一个渐进式的染色质沉默过程。在萌发早期，这些基因上H3K27me3尚未建立（图C），此时由RZ-1部分通过帮助组蛋白的去乙酰化来介导基因表达在转录水平进行沉默，转录水平的沉默进一步为PRC2的介入创造了条件，并最终在萌发后幼苗早期完成H3K27me3的建立并达成对这些位点稳定的染色质沉默（图D）。值得注意的是，RZ-1和PRC2不是传统意义上的遗传学上下游关系，而是一种相互补充和协同的关系；RZ-1在H3K27me3尚未建立时发挥最大作用，同时帮助了H3K27me3的及时建立；二者共同作用达到高效且及时的基因沉默，从而允许种子萌发。

图：RZ-1协同PRC2行使对ABA合成关键基因NCED6的染色质沉默。

吴柘课题组的高级研究学者杨德月、博士后赵凤利为论文共同第一作者，吴柘为论文通讯作者，南科大是论文第一单位。北京大学的瞿礼嘉教授,南京农业大学的吴玉峰教授，河南大学的陈敏教授，南科大的陈曦教授及杜嘉木教授参与了本项研究。中科院昆明植物所的齐金峰博士和吴建强研究员为种子中ABA的测定提供了帮助, 英国JIC的Caroline Dean教授、南科大的郭红卫教授、农科院基因组所的向勇研究员和中国农大的李继刚教授也为本研究提供了宝贵意见。该研究得到了国家自然科学基金、广东省创新创业团队项目、深圳市科创委以及广东省植物细胞工厂分子设计重点实验室基金的资助。

相关文献：

Yang, D., Zhao, F., Zhu, D., Chen, X., Kong, X., Wu, Y., Chen, M., Du, J., Qu, L.J. and Wu,Z. (2022). Progressive chromatin silencing of ABA biosynthesis gene permits seed germination in Arabidopsis. Plant Cell, In press

Wu, Z., Zhu, D., Lin, X., Miao, J., Gu, L., Deng, X., Yang, Q., Sun, K., Zhu, D., Cao, X., Tsuge, T., Dean, C., Aoyama, T., Gu, H., and Qu, L.J. (2016). RNA Binding Proteins RZ-1B and RZ-1C Play Critical Roles in Regulating Pre-mRNA Splicing and Gene Expression during Development in Arabidopsis. Plant Cell 28, 55-73.

Zhu, D., Mao, F., Tian, Y., Lin, X., Gu, L., Gu, H., Qu, L.J., Wu, Y., and Wu, Z. (2020). The Features and Regulation of Co-transcriptional Splicing in Arabidopsis. Mol Plant 13, 278-294.

论文链接：

https://doi.org/10.1093/plcell/koac134