植物“冬季低温记忆”代际传递的机制

来源：iPlants

2020年9月21日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心/上海植物逆境生物学研究中心何跃辉课题组在Nature Plants发表了题为“Maternal transmission of the epigenetic ‘memory of winter cold’ in Arabidopsis”的研究论文，揭示了长期低温（寒冬）诱导的“春化”状态（或“冬季低温记忆”）通过卵细胞传递给合子和早期胚胎的母系遗传机制。

有些植物可以记住过去的环境经历，以适应特定的生境。植物的“环境经历记忆”能否以及如何传递或遗传给下一代仍不清楚。许多生长在高纬度地区的越冬植物，必须经历一段时间的持续低温（寒冬）才能获得在春季开花的潜力（即春化作用）。春化作用受表观遗传机制调控。在模式植物拟南芥中，长期低温通过多梳（Polycomb）蛋白介导的染色质修饰（组蛋白H3第27位赖氨酸三甲基化，H3K27me3）关闭抑制开花的转录因子FLC，该位点的沉默状态在气温回升后（春季回暖）仍然被维持（“冬季低温记忆”），从而使植物获得了在春天开花的潜力。何跃辉课题组近年来对拟南芥“冬季低温记忆”的形成、维持及重置（擦除）的分子表观遗传机制进行了系统研究，揭示了“冬季低温记忆”形成的分子调控元件及重置机制（Yuan et al. Nature Genet 2016; Tao et al. Nature 2017; Tao et al. Nature Plants 2019）。“冬季低温记忆” 虽然在当代稳定，但在种子（下一代）发育过程中被重置，最终每一代都要经历寒冬后在春季开花。之前的研究认为在有丝分裂过程中“冬季低温记忆”从母细胞传递给了子细胞（即在当代稳定），但不能通过减数分裂传递（即该记忆或表观遗传标记在配子中已丢失）。“春化”状态能否通过配子遗传下一代（如早期胚胎/种子）仍未知。

在这项最新发表的研究中，何跃辉课题组通过遗传、分子和细胞生物学等方法发现在拟南芥配子形成过程中卵细胞携带“冬季低温记忆”（即长期低温诱导形成的FLC染色质沉默状态），但该记忆在精细胞中已丢失。进一步的分析表明亲本的“春化”状态通过卵细胞遗传给早期胚胎，即母系遗传（图1）。该发现改写了“春化”状态传递的经典概念，即“春化”状态可通过减数分裂传递给配子（雌配子），并揭示了染色质介导的植物环境记忆通过雌配子遗传给下一代（早期胚胎）的代际传递机制。此外，这项研究发现父本FLC染色质的沉默标记虽然已丢失，但其表达在胚胎发育早期仍被抑制，在胚胎发育的后期父本FLC才被完全激活。“环境经历记忆”母系遗传机制的解析对认识植物如何适应环境具有重要的科学意义。

图1：染色质状态介导的植物“冬季低温记忆”母系遗传机制

何跃辉课题组的副研究员罗晓、在读博士生藕洋和李人杰为共同第一作者。何跃辉研究员为该论文的通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委和中国科学院相关经费的资助。