非生物脅迫下植物組蛋白修飾參與基因表達(dá)調(diào)控的研究進(jìn)展

趙琳 王璞 吳琦 宋瑞瑞 蘭韜 云振宇

（1. 中國標(biāo)準(zhǔn)化研究院農(nóng)業(yè)食品標(biāo)準(zhǔn)化研究所，北京 100191；2. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院，武漢 430070）

植物生存的環(huán)境是不斷變化的，從較大的晝夜溫差到季節(jié)性降雨引起的濕度變化與可用營養(yǎng)的變化，植物必須應(yīng)對頻繁的環(huán)境條件變化。然而大多數(shù)的環(huán)境中的這些極端條件只是偶爾發(fā)生，無法提供永久適應(yīng)性的進(jìn)化壓力，因此植物需要一個(gè)安全保障機(jī)制來應(yīng)對環(huán)境壓力脅迫。靈活性是固定生長的植物應(yīng)對生存壓力的一個(gè)重要的要求，植物通過信號應(yīng)答網(wǎng)絡(luò)來維持這種靈活性，使它們迅速改變其生長發(fā)育狀態(tài)、生理機(jī)能和新陳代謝來應(yīng)答環(huán)境壓力脅迫［1-2］。生物適應(yīng)性應(yīng)答是由多基因控制的，很大程度依賴基因表達(dá)的動(dòng)態(tài)變化，尤其需要逆境脅迫誘導(dǎo)的一系列基因表達(dá)激活或者抑制的轉(zhuǎn)錄反應(yīng)來協(xié)調(diào)［3］。

在過去的幾十年里，已經(jīng)廣泛開展了植物對環(huán)境壓力的轉(zhuǎn)錄應(yīng)答研究，包括分析環(huán)境壓力脅迫下全基因組轉(zhuǎn)錄模式，闡明特定信號通路，以及鑒定單個(gè)調(diào)節(jié)蛋白和它們的靶點(diǎn)等。這些研究得到大量關(guān)于植物如何對干旱、高鹽、冷、熱或洪澇等非生物環(huán)境脅迫作出應(yīng)答的詳細(xì)信息，獲得的知識已經(jīng)應(yīng)用于提高作物的抗逆性［4-10］。近年來，科學(xué)家們開始認(rèn)識到只有考慮表觀遺傳因素才能充分理解轉(zhuǎn)錄調(diào)控。

組蛋白修飾作為一種重要的表觀遺傳修飾，主要發(fā)生在組蛋白H3和H4的N端尾巴上，包括甲基化、乙酰化、磷酸化等修飾類型。根據(jù)被修飾的殘基的位置以及修飾的類型，不同位點(diǎn)和類型的組蛋白修飾具有不同的基因表達(dá)調(diào)控效應(yīng)。大量研究表明，非生物壓力脅迫可引起基因啟動(dòng)子區(qū)域組蛋白修飾的改變，進(jìn)而引起相應(yīng)基因表達(dá)變化，參與脅迫應(yīng)答過程。本文整理和總結(jié)了植物非生物脅迫的轉(zhuǎn)錄應(yīng)答的近期研究成果，并且主要關(guān)注應(yīng)對非生物脅迫時(shí)組蛋白修飾的變化。

1 非生物脅迫下的組蛋白甲基化

組蛋白甲基化是由組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶（Histone methyltransferases，HMTs）催化的，可以被組蛋白去甲基化酶（Histone demethylases，HDMs）消除。組蛋白甲基化主要發(fā)生在組蛋白H3、H4的N端尾巴的賴氨酸（K）或精氨酸（R）殘基上。甲基化修飾較為復(fù)雜，這種復(fù)雜性不僅僅表現(xiàn)在修飾位點(diǎn)的多樣性，還表現(xiàn)在同一個(gè)修飾位點(diǎn)可發(fā)生不同程度的甲基化修飾。賴氨酸殘基可以發(fā)生一、二或三甲基化，而精氨酸的殘基可以被一或二甲基化，其中賴氨酸的甲基化更為普遍。

組蛋白甲基化修飾在調(diào)控植物應(yīng)答非生物脅迫中具有重要作用。植物組蛋白的甲基化修飾主要發(fā)生在H3的第4、9和27位賴氨酸殘基上。通常不同類型以及不同位點(diǎn)的甲基化修飾具有不同的效應(yīng)，如H3K4me3、H3K9me3和H3K36me3與基因的轉(zhuǎn)錄激活有關(guān)［11-12］，H3K27me3可使特定區(qū)域發(fā)生沉默［13］，H3K9me2和 H3K27me1多富集于沉默轉(zhuǎn)座子或DNA高甲基化的重復(fù)序列區(qū)域［14］。H3K4me3則是在非生物性脅迫情況下研究得最多的甲基化標(biāo)記。植物非生物性脅迫下組蛋白賴氨酸甲基化和脅迫響應(yīng)基因表達(dá)之間有潛在聯(lián)系，全基因組染色質(zhì)免疫共沉淀——高通量測序（Chromatin immunoprecipitation-sequencing，ChIP-Seq）分析數(shù)據(jù)顯示干旱脅迫可以明顯誘導(dǎo)水稻的H3K4me3修飾全基因組范圍內(nèi)的增加，但是只有部分基因表現(xiàn)了表達(dá)量上的差異［15］。因此，針對單個(gè)基因表達(dá)的表觀遺傳修飾調(diào)控模式的調(diào)查是非常有必要的，已通過染色質(zhì)免疫共沉淀（ChIP）試驗(yàn)證實(shí)過的一些試驗(yàn)數(shù)據(jù)被列在表1中。

1.1 非生物脅迫下組蛋白賴氨酸甲基化與轉(zhuǎn)錄調(diào)控

組蛋白H3第4位賴氨酸甲基化通常與轉(zhuǎn)錄活化有關(guān)。以模式植物擬南芥為例，周期性的熱壓力、冷脅迫與鹽脅迫均能導(dǎo)致免疫應(yīng)答基因FRK1、WRKY53和NHL10啟動(dòng)子與第一個(gè)外顯子區(qū)域的H3K4me2修飾水平的升高［16］。干旱脅迫促使擬南芥組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶ATX1結(jié)合到NCED3染色質(zhì)上，催化NCED3外顯子區(qū)域發(fā)生H3K4me3，誘導(dǎo)基因表達(dá)量的升高［17］。同樣，干旱壓力還促使組蛋白去甲基化酶JMJ17與OST1染色質(zhì)相互作用減弱，影響OST1的H3K4me3修飾水平，從而提升其基因表達(dá)［18］。擬南芥逆境應(yīng)答基因RD29A、RD29B、RD20和RAP2.4在干旱處理下啟動(dòng)子與外顯子區(qū)域的H3K4me3修飾水平均顯著升高［19］。Nguyen等［20］使用甘露醇模擬滲透壓力，發(fā)現(xiàn)壓力誘導(dǎo)擬南芥基因AtMYB44啟動(dòng)子區(qū)域、TSS區(qū)域H3K4me3的修飾水平升高，而且AtMYB44下游因子ABI1、ABI2和HAI1的H3K4me3修飾有同樣的變化［21］。也有研究表明，洪澇脅迫下水稻幼苗體內(nèi)乙醇脫氫酶1（Ethanol dehydrogenase 1，ADH1）和丙酮酸脫羧化酶 1（Pyruvate decarboxylase 1，PDC1）基因編碼區(qū)域的H3K4me3水平升高，H3K4me2水平下降，與ADH1和PDC1表達(dá)量的上調(diào)相關(guān)。一旦洪澇脅迫解除便會(huì)恢復(fù)到初始狀態(tài)［22］。

H3K9me2與H3K4me3的作用相反，是基因轉(zhuǎn)錄沉默的標(biāo)志。研究表明，DREB2A、RD29A、RD29B在鹽脅迫環(huán)境下，啟動(dòng)子與外顯子區(qū)域的H3K4me3富集程度有明顯增加，而H3K9me2富集程度降低［23］。擬南芥核心蛋白復(fù)合體PRC2的成員OsFIEl對溫度的變化非常敏感，熱壓力促使OsFIEl表達(dá)量的升高伴隨著沉默標(biāo)記H3K9me2在基因區(qū)域富集水平的降低［24］。此外，在番茄中干旱脅迫誘導(dǎo)Asr2各區(qū)域沉默標(biāo)記H3K9me2水平的普遍降低［25］。

表1 不同植物物種在不同非生物脅迫條件下的組蛋白甲基化調(diào)控研究實(shí)例

H3K27me3最為熟知的功能就是在春化現(xiàn)象時(shí)對FLC的抑制，在非生物脅迫情況下其與基因表達(dá)之間的關(guān)系有待進(jìn)一步研究。據(jù)報(bào)道，冷脅迫處理下擬南芥COR15A和AtGOLS3啟動(dòng)子區(qū)域H3K27me3富集程度降低，誘導(dǎo)COR15A和AtGOLS3表達(dá)以抵抗寒冷脅迫［26］。Zong等［27］發(fā)現(xiàn)干旱壓力下水稻4個(gè)脫水蛋白基因表達(dá)升高，其基因區(qū)域的H3K4me3顯著上調(diào)，抑制標(biāo)記H3K27me3修飾顯著下調(diào)。水稻種子發(fā)育過程中，高溫壓力會(huì)導(dǎo)致OsMADS82、OsMADS87、AGL36表達(dá)量的降低與其基因區(qū)域抑制標(biāo)記H3K27me3富集水平的升高密切相關(guān)［24］。水稻在高鹽脅迫下，OsMYB91啟動(dòng)子區(qū)域H3K27me3修飾水平快速降低介導(dǎo)該基因的表達(dá)［28］。番茄在干旱脅迫環(huán)境中，Asr1表達(dá)量的上調(diào)與抑制標(biāo)記H3K27me3水平的降低密切相關(guān)［29］。另外，Sani等［30］研究發(fā)現(xiàn)用Na+預(yù)先處理過的植物比未處理的對照植物表現(xiàn)出更好的抗旱性。HKT1編碼一個(gè)高親和力的K+轉(zhuǎn)運(yùn)體，在HKT1區(qū)域H3K27me3的富集程度降低，暗示了基因抑制的釋放，導(dǎo)致了一個(gè)快速且短暫的HKT1 mRNA水平的增加，可以解釋這種由預(yù)激處理造成的生理效應(yīng)。

1.2 組蛋白賴氨酸甲基化與脅迫記憶

已有研究表明，干旱脅迫應(yīng)答可以通過改變一些干旱脅迫上調(diào)基因的組蛋白修飾的方式被記憶，H3K4me3是基因活化和脅迫記憶的一個(gè)很好的標(biāo)記［31］。在暴露于24 h循環(huán)處理的擬南芥中（2 h空氣干燥和22 h正常濕度恢復(fù)），研究人員檢測到壓力反應(yīng)基因分為“不可訓(xùn)練型”（RD29A和COR15A）和“可訓(xùn)練型”（RD29B和RAB18）。在每一個(gè)恢復(fù)階段，兩種類型的基因轉(zhuǎn)錄都恢復(fù)到正常水平，但是基因區(qū)域的H3K4me3的動(dòng)態(tài)變化明顯不同。在“不可訓(xùn)練”基因中，每個(gè)脅迫處理時(shí)H3K4me3都增加到一個(gè)相似的程度，并且在恢復(fù)階段回到正常水平。與之相反，在“可訓(xùn)練”基因中，重復(fù)脅迫處理時(shí)H3K4me3增加的更強(qiáng)，且在恢復(fù)階段仍然保持高修飾水平［31］。另有最新的研究表明，熱激反應(yīng)時(shí)擬南芥APX2區(qū)域的H3K4me3和H3K4me2修飾水平增高，并且作為轉(zhuǎn)錄記憶在熱激反應(yīng)5 d后依然在APX2的5'端保持著高修飾水平［32］。組蛋白H3K4甲基化作為一個(gè)“記憶性”表觀遺傳標(biāo)記，可以在隨后的壓力脅迫過程中影響基因的表達(dá)。因此，在一些非生物脅迫應(yīng)答基因中，特定組蛋白甲基化修飾可以在脅迫解除后的有限時(shí)間內(nèi)保留，當(dāng)脅迫重新出現(xiàn)時(shí)，可迅速調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄，使植物針對特定脅迫快速應(yīng)對。然而，一個(gè)特定的脅迫誘導(dǎo)基因是否有轉(zhuǎn)錄的表觀遺傳記憶因子仍然需要進(jìn)一步研究。

2 非生物脅迫下組蛋白乙?；?/h2>

組蛋白的乙?；芙档徒M蛋白和DNA之間的電荷作用，從而降低其與DNA的親和力，改變轉(zhuǎn)錄因子與模板DNA鏈的可及性，去乙?；瘎t增加這種作用。因此，組蛋白乙?；瘍A向于誘導(dǎo)基因的活化。相反地，組蛋白乙?；囊瞥梢詫?dǎo)致基因抑制和沉默［33-34］。組蛋白乙?；癄顟B(tài)是由組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶（Histone acetyltransferase，HATs）和組蛋白去乙?；福℉istone deacetylase，HDAs）協(xié)同調(diào)節(jié)。近些年來的一系列研究表明，組蛋白乙酰化修飾的動(dòng)態(tài)變化參與一些重要的脅迫應(yīng)答基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控，這是一個(gè)非常重要的抗逆反應(yīng)機(jī)制。我們在表2中總結(jié)了目前已通過ChIP驗(yàn)證的研究實(shí)例。

表2 不同植物物種在不同非生物脅迫條件下的組蛋白乙?；{(diào)控研究實(shí)例

2.1 在擬南芥中非生物脅迫反應(yīng)性組蛋白乙?；c轉(zhuǎn)錄調(diào)控

組蛋白乙酰化修飾通常是在轉(zhuǎn)錄活性染色質(zhì)區(qū)域，而染色質(zhì)區(qū)域的去乙?；瘎t被認(rèn)為是抑制了相關(guān)基因的表達(dá)［35］。據(jù)估計(jì)，擬南芥為了應(yīng)對寒冷脅迫，有3%-20%的基因發(fā)生轉(zhuǎn)錄改變，其中一些表觀遺傳調(diào)節(jié)因子轉(zhuǎn)錄上調(diào)，這暗示它們的上調(diào)可能導(dǎo)致了靶基因的表觀遺傳和轉(zhuǎn)錄改變［36-37］。研究發(fā)現(xiàn)，長期低溫處理可以誘導(dǎo)擬南芥HDA6的表達(dá)，并且這個(gè)基因的突變可以導(dǎo)致對冰凍脅迫的敏感性。持續(xù)干旱處理擬南芥1-5 h后，干旱應(yīng)答基因如RD29A、RD29B、RD20和RAP2.4區(qū)域的組蛋白H3K9、H3K14、H3K23和H3K27位點(diǎn)會(huì)發(fā)生不同程度的乙?；?，高水平的乙?；c基因轉(zhuǎn)錄增加密切相關(guān)［21］。干旱脅迫恢復(fù)過程中，基因區(qū)域的組蛋白標(biāo)記H3K9乙?；囊瞥偈拐T導(dǎo)基因RD20、RD29A和AtGOLS2轉(zhuǎn)錄的抑制［38］。Zheng等［39］發(fā)現(xiàn)高鹽壓力脅迫下，組蛋白乙?；窯CN5介導(dǎo)的H3K9ac和H3K14ac參與生化酶CTL-1、PGX3、MYB54的表達(dá)激活。高溫脅迫的ChIP分析結(jié)果顯示組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶GCN5富集到HSFA3和UVH6啟動(dòng)子區(qū)域，催化該區(qū)域H3K9和H3K14的乙?；瑥亩T導(dǎo)HSFA3和UVH6表達(dá)［40］。除此之外，高溫脅迫還會(huì)促使熱激因子HsfA2和Hsa32外顯子區(qū)域H3K56ac修飾水平的升高，參與HsfA2和Hsa32表達(dá)的激活［41］。

2.2 在農(nóng)作物中非生物脅迫反應(yīng)性組蛋白乙酰化

除了模式植物擬南芥，在農(nóng)作物中也廣泛開展了應(yīng)對脅迫的組蛋白乙?；?去乙?；难芯俊λ嗟挠衩赘窟M(jìn)行高鹽刺激，2種HAT基因（ZmHATB和ZmGCN5）的mRNA表達(dá)水平增高，導(dǎo)致總體H3K9和H4K5乙?；降纳仙约皵U(kuò)展蛋白和其他細(xì)胞壁相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄上調(diào)。在這些基因中，ZmEXPB2和ZmXET1的啟動(dòng)子區(qū)域均出現(xiàn)H3K9乙?；降纳险{(diào)［42］。滲透壓力也促使了玉米ZmDREB2A啟動(dòng)子區(qū)域的組蛋白乙?；腿旧|(zhì)結(jié)構(gòu)的重塑，從而誘導(dǎo)了該基因的表達(dá)［43］。甜菜在鹽壓力脅迫下，POX的高表達(dá)也伴隨著編碼區(qū)的H3K9和H3K27的乙?；撸?4］。

除了干旱和高鹽，極端溫度也是造成農(nóng)作物產(chǎn)量損失的主要的環(huán)境脅迫之一。冷適應(yīng)會(huì)促使基因表達(dá)的重編程，組蛋白的乙酰化就在這個(gè)過程中發(fā)揮著主要作用［45］。在玉米的冷適應(yīng)過程中，可以觀察到HDACs的表達(dá)上調(diào)，H3和H4的整體去乙?；?6］。除此之外，異染色質(zhì)的串聯(lián)重復(fù)序列被有選擇性地激活，表現(xiàn)在激活區(qū)域H3K9ac的增加，DNA甲基化和H3K9me2的降低［47］。高溫壓力下，玉米的熱激轉(zhuǎn)錄因子基因ZmHsf-01和ZmHsf-15啟動(dòng)子區(qū)域的H3K9ac修飾水平顯著升高［48］，H3K9ac和H4K5ac還與側(cè)根發(fā)育相關(guān)基因HO-1和GSL-1的表達(dá)正相關(guān)［49］。一些玉米細(xì)胞周期因子在遭受非生物壓力脅迫時(shí)，其轉(zhuǎn)錄水平也與H3K9ac或H4K5ac修飾水平密切相關(guān)［50］。在水稻中的研究表明，DREB1是寒冷誘導(dǎo)的主要的轉(zhuǎn)錄因子。ChIP試驗(yàn)結(jié)果顯示，在寒冷處理時(shí)，OsDREB1的啟動(dòng)子區(qū)域以及OsDREB1的上游區(qū)域（從轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)開始的600 bp）有H3K9乙?；脑黾?。此外，在OsDREB1啟動(dòng)子的不同區(qū)域有一些其他組蛋白賴氨酸位點(diǎn)乙?；母淖?。例如，在TATA盒區(qū)域有H3K14乙?；脑黾樱由嫌蔚囊粋€(gè)區(qū)域出現(xiàn)H3K27的高度乙?；?1］。因此，DREB1啟動(dòng)子區(qū)域組蛋白賴氨酸殘基上的高乙?；芸赡苁呛鋵@個(gè)基因起誘導(dǎo)作用的基礎(chǔ)。

3 非生物脅迫下的其他類型組蛋白修飾

除組蛋白賴氨酸上甲基化和乙?；揎棌V泛參與抗逆基因的表達(dá)調(diào)控外，還有一些殘基修飾在植物應(yīng)對非生物脅迫中也發(fā)揮著不可忽視的作用。組蛋白精氨酸甲基化修飾通常由蛋白質(zhì)精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶（Protein arginine methyltransferases，PRMT）催化，發(fā)生在組蛋白H3 的2、8、17和26位及組蛋白H4的3位精氨酸殘基上，甲基化類型有一甲基化、對稱二甲基化和非對稱二甲基化。研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥組蛋白H4R3sme2作為一個(gè)轉(zhuǎn)錄沉默標(biāo)記，由PRMT5催化，抑制基因轉(zhuǎn)錄。ChIP分析正常生長條件下的擬南芥，其壓力應(yīng)答因子RD29A、RD29B和HAB1基因區(qū)域的H4R3sme2維持高水平。當(dāng)面對鹽脅迫時(shí)，基因區(qū)域的H4R3sme2水平降低，壓力應(yīng)答因子RD29A、RD29B和HAB1轉(zhuǎn)錄增加［52］。

組蛋白磷酸化通常發(fā)生在絲氨酸、蘇氨酸和酪氨酸位點(diǎn)上，組蛋白H3的磷酸化進(jìn)化保守，主要有10位和28位的絲氨酸（H3S10ph和H3S28ph），3位和11位的蘇氨酸（H3T3ph和H3T11ph）。植物面對環(huán)境壓力，如鹽脅迫和低溫脅迫，組蛋白H3磷酸化也呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化。利用ChIP-Seq的基因組范圍分析結(jié)果顯示，在PEG處理?xiàng)l件下，MLK1和MLK2激酶誘導(dǎo)重復(fù)序列Knob區(qū)域的H3T3ph修飾水平的升高，參與了染色質(zhì)結(jié)構(gòu)變化以應(yīng)對滲透壓力［53］。H3T3ph修飾可能作為一個(gè)抑制型組蛋白標(biāo)記來幫助維持異染色質(zhì)的濃縮狀態(tài)。

組蛋白泛素化主要發(fā)生在組蛋白H2A和H2B。已有研究表明，組蛋白H2B單泛素化（H2Bub1）在植物應(yīng)對鹽脅迫的過程中起著重要的調(diào)控角色。Ma等［54］對水稻的最新研究發(fā)現(xiàn)，干旱壓力能導(dǎo)致干旱耐受因子OsbZIP46及其靶基因RAB21的H2Bub1修飾水平的升高。H2Bub1通過參與鹽脅迫誘導(dǎo)的微管解聚和PTP-MPK3/6信號通路的調(diào)控，增強(qiáng)擬南芥鹽耐受能力［55］。

4 結(jié)語與展望

植物非生物脅迫應(yīng)答基因的調(diào)節(jié)與表觀遺傳改變密切相關(guān)，這一全新的認(rèn)識為植物非生物脅迫反應(yīng)的研究帶來了新的研究方向。在植物應(yīng)對非生物脅迫時(shí)，動(dòng)態(tài)的組蛋白修飾改變以及基因活化與遺傳記憶已經(jīng)成為熱點(diǎn)話題。然而，非生物脅迫反應(yīng)與表觀遺傳信息，如脅迫反應(yīng)性組蛋白修飾酶，目標(biāo)脅迫應(yīng)答基因及特異的組蛋白修飾位點(diǎn)之間的完整關(guān)系網(wǎng)絡(luò)仍然不清楚。ChIP試驗(yàn)?zāi)軒椭芯咳藛T確定負(fù)責(zé)表觀遺傳調(diào)節(jié)的組蛋白修飾，但是通過ChIP試驗(yàn)所得到的結(jié)果只能提供可能作為修飾靶點(diǎn)的直接或間接殘基，在植物表觀遺傳研究中直接確認(rèn)組蛋白修飾功能依然是一個(gè)挑戰(zhàn)。利用最新的CRISPR/Cas9基因編輯系統(tǒng)建立的組蛋白修飾酶的突變體或組蛋白N端氨基酸殘基的突變將會(huì)很好的促進(jìn)這些研究。為了滿足未來在植物表觀遺傳學(xué)方面密集而準(zhǔn)確的分析研究，建立有效的技術(shù)是非常必要的。更多的表觀遺傳調(diào)節(jié)因子和脅迫反應(yīng)中的新的表觀遺傳調(diào)節(jié)機(jī)制被發(fā)現(xiàn)，在植物非生物脅迫應(yīng)答方面的深入研究將會(huì)快速發(fā)展。