陕西
近日，中国农业科学院蔬菜花卉研究所设施栽培课题组在植物学经典国际期刊Plant Physiology杂志上发表了题为“RESPIRATORY BURST OXIDASE HOMOLOG 5.1 regulates H3K4me3 deposition and transcription after cold priming in cucumber”的研究论文，揭示了组蛋白H3赖氨酸4三甲基化 (H3K4me3) 调控黄瓜维持获得耐冷性的分子机制。
转录记忆与应激反应中特定的表观遗传重塑和染色质标记物的变化有关。H3K4me3已被鉴定为热、干旱、盐胁迫等非生物胁迫环境下一些记忆基因的激活标记，并促进非生物胁迫记忆基因的转录。然而，H3K4me3如何在基因组水平调控冷胁迫记忆尚未在植物中报道，H3K4me3如何调控“持续诱导的冷记忆基因(memory)”与“非持续诱导的冷响应基因(NSI)”转录机制还不清楚。此外，前期研究表明，依赖RBOH的质外体H2O2信号参与调节温度胁迫记忆和增强植物对温度胁迫的抗性（Plant Cell and Environment, 2018; Scientia Horticulturea, 2020; Antioxidants, 2022）。然而，目前尚不清楚哪些RBOH基因是调控“持续诱导的冷记忆基因”与“非持续诱导的冷响应基因”转录的关键基因，以及该RBOH 基因是否能够在冷驯化后恢复过程中介导H3K4me3影响冷响应基因的转录。
该研究发现，冷驯化改变了恢复阶段下的memory基因和NSI基因的H3K4me3 沉积，而仅上调的memory基因的H3K4me3在恢复过程中表现出表观遗传记忆。然而，在基因组中，memory和NSI基因H3K4me3的Rank模式不依赖于冷驯化：memory基因H3K4me3的Rank模式总是有助于其转录模式的形成，NSI基因H3K4me3的Rank模式总是抑制其转录模式，表现出双向调控冷驯化的转录机制，这种机制可能有助于黄瓜在胁迫记忆阶段更好的平衡耐冷性和生长发育。
进一步的研究发现，在低温驯化后恢复期间，CsRBOH5.1表达的短暂升高是黄瓜维持NADPH氧化酶活性和外质体H2O2含量的必要条件，从而使黄瓜获得耐冷性，增强维持获得性耐冷性(MACT)。有趣的是，一些关键的H3K4me3甲基转移酶基因的表达以及H3K4me3在memory基因上的积累依赖于CsRBOH5.1。令人惊讶的是，CsRBOH5.1几乎是所有编码基因在恢复过程中形成正常H3K4me3沉积模式所必需的，并且随着恢复时间的延长，这种必要性更加明显。此外，Csrboh5.1突变体的转录记忆完全丧失，约80%的NSI基因的转录模式被破坏。
总之，这项研究首次在植物中发现H3K4me3双向调控冷驯化，并发现CsRBOH5.1是调控H3K4me3沉积关键基因，进而冷响应基因的转录和冷驯化。本研究为胁迫记忆的研究提供了新的视角。
中国农业科学院蔬菜花卉研究所，蔬菜生物育种国家重点实验室，设施栽培课题组博士研究生狄清华、博士研究生周梦迪和李衍素研究员为并列第一作者，孙敏涛副研究员、于贤昌教授为共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金资助；中国农业科学院科技创新计划；CAR-23- B05专项基金、农业部园艺作物生物学与种质创新重点实验室的支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1093/plphys/kiae461
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