赵毓教授课题组揭示转录因子和组蛋白修饰酶协同调控水稻干细胞命运的新机制

核心提示：揭示了转录因子PLT介导的水稻根尖干细胞命运表观调控新机制：PLT特异地招募PRC2和去甲基化酶JMJ703至分化相关基因位点，协同提高H3K27me3/H3K4me3修饰水平比值，从而维持靶基因沉默状态，确保根尖干细胞特性稳定地延续。该研究拓展了我们对植物干细胞命运维持机制的分子认识，尤其为阐释表观修饰如何整合发育信号精准调控细胞命运提供了关键证据。……（世界食品网-www.shijieshipin.com）

　　细胞命运决定是现代生命科学和植物学研究领域中的核心议题之一。植物生长发育及侧生器官的形成依赖于位于分生组织中的干细胞，其中根分生组织干细胞活性的维持是根系持续生长与环境适应的关键。PLETHORA （PLT） 蛋白家族是植物特有的转录因子，主要参与调控植物胚胎发育、分生组织活性维持及器官形态建成过程。然而，PLT蛋白如何精确调控植物干细胞命运以维持根分生组织稳态的分子机制仍不清楚。
　　染色质修饰在细胞分裂与分化过程中对基因表达的重编程起着关键调控作用。Polycomb抑制复合物2（PRC2）通过催化组蛋白H3第27位赖氨酸的三甲基化（H3K27me3），在细胞分裂中维持基因抑制状态，这对于建立和维持同一细胞谱系具有重要作用。相反，携带H3K4me3修饰的基因通常处于转录激活状态。值得注意的是，H3K4me3与H3K27me3可共存于同一或相邻核小体上，形成“双价”（bivalent）染色质区域或基因座。在哺乳动物中，具有此类双价修饰的染色质区域主要存在于胚胎干细胞中，通常标记后续发育或细胞分化阶段将被激活的基因。在水稻中，约有8%的基因同时具备H3K27me3与H3K4me3双价修饰，然而这种双价修饰在水稻根尖干细胞命运决定中的具体作用机制不清楚。

　　2025年12月2日，华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室、湖北洪山实验室水稻团队赵毓教授和周道绣教授课题组在国际期刊Molecular Plant上在线发表了题为“PLETHORA transcription factors orchestrate epigenetic silencing of bivalent chromatin to promote root meristem development in rice”的研究论文，揭示了转录因子PLT介导的水稻根尖干细胞命运表观调控新机制：PLT特异地招募PRC2和去甲基化酶JMJ703至分化相关基因位点，协同提高H3K27me3/H3K4me3修饰水平比值，从而维持靶基因沉默状态，确保根尖干细胞特性稳定地延续。该研究拓展了我们对植物干细胞命运维持机制的分子认识，尤其为阐释表观修饰如何整合发育信号精准调控细胞命运提供了关键证据。

　　该研究首先发现，水稻PLT3、PLT4及PLT5在根尖干细胞区域呈现特异性表达。通过遗传分析进一步探究其功能，结果显示，plt3、plt4或plt5单突变体的水稻根未出现明显发育缺陷；然而，双突变体plt3plt4的根显著缩短，三突变体plt3plt4plt5的根生长抑制更为严重，这表明PLT家族成员在水稻根发育过程中存在功能冗余与协同作用。转录组学分析表明，plt3plt4plt5三突变体中大量基因表达上调，且受PLT抑制的基因座较对照组呈现更高的H3K27me3修饰水平。为了深入探究其分子机制，质谱分析及体内外互作实验证实，PLT蛋白能够与PRC2复合物相互作用。CUT&Tag分析则进一步发现，在plt3plt4plt5三突变体中，PLT5富集的H3K27me3位点的修饰水平显著降低，同时PRC2核心组分EMF2b的结合水平也下降。这一结果表明，PLT5通过招募EMF2b，在根尖分生组织中发挥维持H3K27me3介导的基因沉默功能。有意思的是，在plt3plt4plt5中上调表达的基因座上，还同时富集了H3K4me3修饰，且全基因组水平上该修饰显著上升。鉴于H3K4me3与H3K27me3可共存于同一或相邻核小体上，形成二价染色质结构，由此推测，PLT可能通过调控二价结构域中H3K27me3/H3K4me3比例来实现基因表达抑制。为验证这一假设，全基因组范围PLT5结合位点分析发现，有超过50%的具有H3K27me3和H3K4me3二价修饰的基因被PLT5结合。 Sequential ChIP-PCR联合RT-PCR实验直接证明了PLT能够结合并维持部分二价修饰基因的沉默状态。在蛋白水平，体内体外的生化实验证实PLT5、PRC2都可以与组蛋白上去除H3K4me3修饰的酶JMJ703相互作用，这进一步表明了PLT-PRC2-JMJ703形成功能复合体，通过改变PLT结合的靶基因上的H3K27me3/H3K4me3修饰水平来调控水稻根尖相关基因的表达。

　　植物干细胞作为器官发生与生长发育的源头，其自我更新能力以及分化潜能，在作物株型塑造、抗逆性提升及产量形成等方面均起着决定性作用，是作物设计育种过程中亟待突破的关键环节。本研究聚焦此问题展开探索，揭示了水稻PLT转录因子能够招募组蛋白修饰酶PRC2与JMJ703，在根尖干细胞区域，对细胞分化相关基因上H3K27me3/H3K4me3二价修饰的比例进行精细调控的机制。通过这种调控方式维持了此类基因的沉默状态，从而保障根尖分生组织（即干细胞）的活性稳定。这一机制对理解生物中普遍存在的细胞命运可塑性以及环境适应性具有一定的启示意义，更为未来开展提升作物抗逆性与产量的设计育种研究奠定了理论基础。

　　本研究由华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室、湖北省洪山实验室联合完成，已毕业的李琦博士（现中科院生物物理研究所博士后）和李俊杰博士（现福建农林大学副教授）为共同第一作者，赵毓教授和周道绣教授为共同通讯作者。武汉大学杨红春教授提供了关键实验材料，福建农林大学吴建国教授在文章审修中给予了巨大帮助，唐昕恬硕士、在读博士研究生褚晨和王静参与了部分研究工作。本研究得到国家自然科学基金项目、中央高校基本科研业务费项目等资助。

　　英文摘要：The maintenance of stem cells within root meristem is the foundation for continuous growth of the root system. The PLETHORA （PLT） transcription factors have a function to control patterning of the root meristem, but the underlying molecular mechanism remains unclear. In this work we show that rice PLT3, PLT4 and PLT5 have a function to promote a repressive chromatin state to maintain stem cell fate in the root meristem. We show that PLT5 interacts with Polycomb Repressive Complex 2 （PRC2） that deposits the repressive mark H3K27me3 and the histone demethylase JMJ703 that removes the active mark H3K4me3 in rice root meristem cells. In addition, JMJ703 itself associates with PRC2 proteins. Loss of PLT3, PLT4 and PLT5 function resulted in decreased PRC2-association and H3K27me3, increased H3K4me3, and upregulated expression of genes decorated with the two marks in the root meristem. Further analysis indicates that the PLT interactions with PRC2 and JMJ703 enhance the H3K27me3/H3K4me3 ratio at a set of bivalent genes to maintain their silent state. These results uncover a chromatin mechanism by which PLTs control the stem cell fate in the rice root meristem.

　　原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1674205225004265

日期：2025-12-31