Cell Reports | 乔红团队揭示乙烯信号通路介导植物温度响应的新机制

责编 | 王一

随着全球气候变暖，植物如何适应和应对温暖环境成为了现代农业研究的核心问题。植物是固着生物，无法通过移动逃避环境压力，因此它们依赖一系列复杂的分子机制来感知和响应环境温度变化。温暖环境不仅影响植物的生长发育，还对开花、种子萌发、光合作用及水分管理等过程产生深远影响。气温的持续上升会导致植物生理功能失调，进而影响产量和生态稳定性。因此，研究植物如何在温暖环境下维持正常的生理功能，探索其背后的分子调控机制，具有重要的科学意义和现实意义。然而，尽管我们对植物应对光、激素等信号的了解相对深入，温暖环境下植物如何快速且精准地调控基因表达以适应温度变化的分子机制，仍然是一个有待深入研究的领域。

近日，美国得克萨斯大学奥斯汀分校的Hong Qiao研究团队在Cell Reports上发表了题为LHP1 and INO80 cooperate with ethylene signaling for warm ambient temperature response by activating specific bivalent genes的研究论文，揭示了乙烯信号通路在植物响应温暖环境中的重要作用。

乙烯是一种广泛参与植物生长和发育调控的小分子激素，其在应对生物和非生物胁迫中发挥了重要作用。乙烯信号通过调节基因表达，帮助植物适应多种环境变化，然而其在温暖环境中的具体作用机制此前尚未明确。Hong Qiao团队的研究揭示了乙烯信号通路在温暖环境下的一个新功能：通过与表观遗传因子LHP1和INO80共同作用，乙烯信号激活了特定二价基因的表达，帮助植物迅速适应温暖的环境。

该研究发现，在温暖环境中，乙烯信号转导因子EIN2（包括其切割产物EIN2-C）和EIN3在蛋白水平上积累。通过对不同温度响应突变体的分析，研究进一步验证了LHP1、EIN2和EIN3在植物温暖环境响应中的协同作用。突变体中缺失这些基因的植物表现出明显的温度响应缺陷，证明了这些因子在调控植物应对温暖环境中的重要地位。

EIN2-C通过与LHP1的相互作用，调控了被EIN3结合的目标基因的表观遗传修饰状态。这些EIN3结合基因具有H3K4me3（与转录激活相关）和H3K27me3（与转录沉默相关）的染色质二价标记，在正常温度下处于沉默状态。然而，当温度上升时，EIN2-C，EIN3和INO80的相互作用导致H3K4me3的富集，同时抑制H3K27me3，从而解除对基因转录的抑制，使这些基因迅速被激活。这种染色质的二价状态转变确保了植物在温度升高时能够迅速启动特定基因的表达，进而调控植物的生长发育，帮助其应对高温胁迫。

植物应对温暖环境的核心在于快速而灵活的转录响应，而这一响应背后的分子基础在于染色质结构的调控。LHP1和INO80作为表观遗传调控因子，协同乙烯信号，通过调节染色质的表观遗传修饰，实现了基因的快速转录活化。因此，这一研究揭示的机制为植物适应温暖环境提供了一个全新的表观遗传层面的解释，展示了乙烯信号如何通过染色质重塑，确保植物在面临温度变化时迅速调节基因表达，维持正常生长。总之，该研究揭示了乙烯信号如何与表观遗传因子共同作用，调控植物对温暖环境的适应，这一发现为全球气候变化背景下的农业生产提供了新的策略。

美国得克萨斯大学奥斯汀分校教授Hong Qiao为本文通讯作者；博士毕业生Zhengyao Shao为本文的第一作者。美国得克萨斯大学奥斯汀分校教授Enamul Huq以及博士生Yanan Bai对本研究提供了重要帮助。

https://doi.org/10.1016/j.celrep.2024.114758