Nature Commun | 何跃辉/罗晓/杜嘉木揭示组蛋白甲基化阅读蛋白介导长日照调控植物开花的新机制

植物由营养生长转向生殖生长的成花转变时间直接影响繁殖及种子与果实产量。为适时开花，许多植物通过感知日长（光周期）等季节信号，经光周期通路调控成花素基因FLOWERING LOCUS T（FT）的表达。长日照植物拟南芥的FT表达呈现昼夜节律：黄昏时被高度激活，而在夜间至次日午后则被抑制，避免FT蛋白过量积累导致植物过早开花，影响结实。已有研究表明，在傍晚时分，转录因子CONSTANS（CO）会与NF-Y形成复合体；该复合体随后结合FT启动子上的CO响应元件（CORE），从而激活FT的表达。然而FT激活后如何及时“刹车”、维持夜间至次日午后的抑制状态，这一关键分子机制仍不清楚。

2025年10月23日，北京大学现代农业研究院何跃辉教授与罗晓研究员团队联合南方科技大学杜嘉木教授，在Nature Communications发表了题为A pair of readers of histone H3K4 methylation recruit Polycomb repressive complex 2 to regulate photoperiodic flowering的研究论文。该研究首次揭示，拟南芥中H3K4（组蛋白H3第4位赖氨酸）甲基化阅读蛋白AtING1/2（哺乳动物生长抑制因子ING同源物）能够识别FT染色质上与激活相关的H3K4me2/me3修饰，进而招募Polycomb抑制复合体PRC2（Polycomb Repressive Complex 2），在傍晚FT表达激活后及时在夜间抑制其表达。这一模块实现了从激活向抑制的染色质状态转换，精准调控FT的节律性表达，防止植物过早开花，为解析光周期调控开花的机制提供了重要理论突破。

该研究证实AtING1/2是拟南芥中特异性识别H3K4me2/me3组蛋白修饰的阅读蛋白，其PHD结构域（植物同源结构域）以高亲和力结合H3K4me2/me3，但不结合未甲基化的H3K4（图1）。功能实验进一步表明，破坏结构域的关键位点突变（AtING1 W203A / AtING2 W232A）会使其丧失H3K4me2/me3结合能力，且无法回补ing1 ing2双突变体的早花表型，证实“阅读”H3K4甲基化是其生物学功能的基础。

图1. AtING1/2的PHD结构域与甲基化组蛋白H3K4结合的结构分析 (Luo et al. Nature Communications, 2025)

为解析AtING1/2的生物学功能，研究团队分析了单突变体（ing1、ing2）及双突变体（ing1 ing2）的表型。在长日照下，双突变体开花显著提前，而单突变体表型较弱，表明AtING1/2功能部分冗余。有趣的是，与长日照下的早花表型相反，这些突变体在短日照条件下并不早花。证明AtING1/2特异介导长日照对开花的调控。遗传实验进一步明确其作用通路：co ing1 ing2三突变体与co单突变体均表现晚花（CO介导长日照促进开花），表明AtING1/2在长日照下通过CO-FT通路特异性抑制开花。

研究团队进一步通过染色质免疫沉淀追踪AtING1/2在FT染色质上的结合动态。长日照条件下，AtING1和AtING2于中午（ZT8）和夜间（ZT24）显著富集于FT的CCAAT增强子与CORE区域，而在CO蛋白丰度高峰的傍晚（ZT16）则完全解离；短日照下几乎无结合，体现其结合对光周期的依赖性。这一“昼夜间富集、傍晚脱离”的动态模式，与CO蛋白的积累节律恰好相反。进一步利用化学诱导系统证实，CO表达可迅速减少AtING1在CORE及CCAAT区域染色质的结合，表明CO通过直接占据靶区域，拮抗AtING1/2的结合，从而在傍晚解除其对FT表达的抑制。

既然AtING1/2是转录激活性修饰H3K4me2/me3的阅读器，为何会抑制FT表达？研究发现其可直接与PRC2核心组分CLF（H3K27甲基转移酶）、EMF2（PRC2结构亚基）等发生互作，从而招募PRC2复合体至FT染色质，及时在夜间添加转录抑制性的H3K27me3，实现对FT的抑制。

综上，本研究揭示了在长日照条件下，由AtING1/2介导的FT基因表达“激活-抑制”的动态调控模型（图2）。傍晚时分（ZT16），光信号促使CO蛋白积累，形成CO-NF复合体并结合于FT的CORE区域。CO-NF一方面竞争性拮抗AtING1/2的结合，另一方面招募染色质重塑因子PKL与H3K4甲基转移酶ATX1，形成CO-PKL-ATX1模块，促使FT染色质富集H3K4me3，进一步募集其它转录激活性染色质修饰因子，导致AtING1/2在傍晚从FT染色质解离，并最终激活FT表达。入夜后（如ZT24），CO被降解，AtING1/2通过其PHD结构域识别FT位点尚存的H3K4me2/me3，进而招募PRC2复合体，由其催化添加H3K27me3抑制性修饰，使FT迅速转向抑制状态；至次日中午（ZT8），AtING1/2持续维持PRC2与H3K27me3水平，防止FT过早激活，待傍晚CO再次累积开启新一轮循环。该机制阐明了 “H3K4me2/me3–AtING1/2–PRC2” 这一新型染色质调控通路，通过将激活相关修饰与抑制性修饰相偶联，实现FT节律性表达的精准控制，避免早花。该研究首次发现ING蛋白作为H3K4me2/me3的特异性阅读器介导染色质状态转向抑制状态，为小麦、大豆等光周期敏感作物开花时间的遗传改良提供了重要潜在靶点。

图2. H3K4me2/me3-ING1/2-PRC2模块介导光周期调控成花素FT表达的分子机制 (Luo et al. Nature Communications, 2025)

本研究由北京大学现代农业研究院的何跃辉教授、罗晓研究员、及南方科技大学的杜嘉木教授共同通讯。罗晓研究员、中国科学院上海植物逆境生物学研究中心已毕业研究生李雪琴与陈志娟，以及北京大学博士后田术为共同第一作者。刘雅洁、商志云、陈利贤、孙瑜对研究做出了重要贡献。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、山东省自然科学基金优秀青年基金、泰山学者项目以及深圳市科技创新计划等项目资助。

论文链接 (published inNatureCommunicationsbySpringNature):

https://www.nature.com/articles/s41467-025-64419-6