华中农大近期科学研究进展

近日，华中农业大学动物科学技术学院、动物医学院苗义良教授领衔的动物克隆与干细胞研究团队研究成果以“Histone methyltransferases MLL2 and SETD1A/B play distinct roles in H3K4me3 deposition during the transition from totipotency to pluripotency”为题在EMBO Journal发表。研究揭示了组蛋白甲基转移酶MLL2和SETD1A/B在胚胎细胞由全能性向多能性转变过程中对H3K4me3建立和胚胎发育的不同调控作用。

组蛋白H3第4位赖氨酸的三甲基化（H3K4me3）是真核生物中高度保守的表观遗传修饰之一，广泛参与细胞分化、发育及疾病发生等生物学过程。在哺乳动物中，H3K4me3由SET1/MLL复合体催化建立，该复合体包括多种H3K4甲基转移酶（SETD1A、SETD1B、MLL1和MLL2）及多个必要蛋白亚基。尽管H3K4me3是活跃基因启动子上的标志性修饰，但其在基因表达调控中的功能仍未完全阐明，尤其是在哺乳动物早期胚胎中，H3K4me3的分布模式发生了显著的重编程：在合子基因组激活（Zygotic Genome Activation, ZGA）之前呈现与转录沉默相关的非经典模式，而在ZGA期间转变为与活跃基因启动子相关的经典模式。然而，这两种H3K4me3分布模式的形成机制及其调控功能仍不明确。

▲MLL2与SETD1A/B通过调控H3K4me3建立影响早期胚胎发育

研究人员首先通过分析小鼠早期胚胎的转录组和翻译组数据，确定了胚胎中主要表达H3K4甲基转移酶MLL2和SETD1A。随后，分别敲低Mll2和Setd1a/b（单独敲低Setd1a会引发Setd1b的代偿表达），并在ZGA前的早2细胞期、ZGA发生的晚2细胞期以及ZGA后的桑椹胚期检测H3K4me3的富集变化。结果显示，MLL2不仅负责ZGA前非经典H3K4me3的建立，还参与ZGA期间经典H3K4me3的形成，而SETD1A/B则主要负责ZGA后经典H3K4me3的建立。此外，使用转录抑制剂短时处理晚2细胞胚胎和桑椹胚，结果显示该处理显著降低了ZGA后由SETD1A/B介导的H3K4me3建立，但对ZGA期间由MLL2介导的H3K4me3建立无影响。基于此，研究人员将胚胎中H3K4me3分为两种类型：MLL2催化的转录独立型（Transcription-independent）H3K4me3和SETD1A/B催化的转录依赖型（Transcription-dependent）H3K4me3。

研究人员进一步探究了转录独立型和转录依赖型H3K4me3在小鼠早期胚胎发育中的功能。首先，无论是敲低Mll2和过表达Kdm5b以降低早2细胞期的非经典H3K4me3富集，还是敲低Kdm5b和使用KDM5抑制剂来增加晚2细胞期的非经典H3K4me3富集，都不会影响胚胎整体的基因表达。此外，晚2细胞期经典H3K4me3富集的增加或减少对ZGA基因表达的影响微乎其微，这些结果表明MLL2催化的转录独立型H3K4me3在胚胎全能性阶段存在非指导性作用。然而，通过敲低Setd1a/b或使用KDM5抑制剂改变ZGA后胚胎的H3K4me3富集，这会显著影响决定细胞命运谱系分化的关键基因表达，并导致囊胚发育受损。因此，由SETD1A/B催化的转录依赖型H3K4me3在调控胚胎多能性建立和植入前囊胚形成过程中发挥了重要作用。

上述研究结果揭示了早期胚胎在从细胞全能性向多能性转变过程中，MLL2和SETD1A/B通过接力方式介导H3K4me3富集动态转变的机制，这为解析早期胚胎发育的表观遗传调控机制提供了新的科学依据。

华中农业大学动物科学技术学院、动物医学院苗义良教授和刘鑫副研究员为论文共同通讯作者，博士研究生张晶晶和孙巧然为论文共同第一作者。

近日，华中农业大学植物科学技术学院小麦改良创新团队鄢文豪教授在Genome Biology 杂志上在线发表了题为“Chromatin loops gather targets of upstream regulators together for efficient gene transcription regulation during vernalization in wheat” 的研究论文，揭示了小麦春化过程中，染色质环将核心调控因子的下游靶标基因聚集，促进上游调控因子对下游靶标的高效激活的调控模式。作者将这种调控模式命名为“牧羊”模型，为理解植物响应并适应环境条件变化提供了新的视角。

冬小麦需经历特定的长时间低温才能在温暖的春天抽穗开花，这种现象被称为春化。植物中春化相关调节因子的转录受到表观遗传的调控。春化关键调节因子VRN1的转录主要与组蛋白修饰的动态变化相关。春化作用对冬小麦的安全过冬并在合适的时间抽穗开花至关重要，然而，植物如何通过改变自身的基因表达快速适应春化低温仍不得而知。

该研究通过对不同春化处理的冬小麦（矮抗58）材料进行转录组分析，共鉴定到17669个差异表达基因，这些差异表达基因聚成了七类。其中，第一类和第二类基因在春化前的表达最高，长时间春化处理后转录水平下降；第三类和第四类基因在春化后表达升高；第五类基因在春化后高表达，且在植物恢复到正常温度生长后仍保持高水平的表达；第六类和第七类基因则是在春化后的表达量最高。通过差异基因三元体（triads）分析，发现28.67%的三元体在春化过程中改变了其在不同亚基因组间的不对称表达模式，表明小麦亚基因组部分同源基因（subgenome homoeologs）可能在小麦的春化响应途径中存在功能分化（如图）。

▲小麦春化过程中的转录组动态变化

为揭示小麦春化过程中全基因组组蛋白修饰的动态变化，鉴定了春化过程中被H3K4me3、H3K9ac或H3K27me3修饰的位点及染色质开放的基因组区域，发现不同修饰的富集程度在不同春化条件的植株中呈现动态变化。相对于远端的富集峰而言，基因表达的动态变化与近端H3K4me3、H3K9ac及H3K27me3差异富集峰的动态变化相关性更高，春化过程中的差异表达基因的转录水平与近端H3K4me3和H3K9ac的修饰更相关（如图）。

▲小麦春化过程组蛋白修饰的动态变化

鉴于基因表达变化和H3K4me3的高度相关性，研究人员进一步用高分辨的ChIA-PET技术分别检测了春化前后与活性转录标记H3K4me3相关的远程染色质相互作用。在春化前后分别鉴定到82370和90332个染色质互作环（chromatin loops），发现与H3K4me3相关的染色质互作频率与锚定基因（anchor gene）的转录水平正相关，包括已发表的小麦春化开花相关基因，特别是VRN1在不同亚基因上的三个部分同源基因（VRN1-A、VRN1-B和VRN1-D）。该研究同时用细胞学实验验证了春化前后春化关键调控因子VRN1位点上的染色质互作变化（如图）。

▲小麦春化过程中H3K4me3相关的全基因组染色质互作变化

他们进一步利用基于ATAC-seq的转录因子印记分析，并与VRN1蛋白的DNA亲和纯化测序分析（DAP-seq）结果联合分析，发现春化关键调控因子VRN1是一系列染色质远程互作锚定基因的核心上游调控因子。数据表明，染色质互作环把春化相关基因聚集到一起，以实现这些基因被诸如VRN1、VRT2等上游重要调控因子的共转录调节（如图），我们称之为“牧羊”模型。为进一步探究染色质互作动态变化对春化响应过程的系统影响，进一步将转录印记和染色质互作信息结合，构建了春化前后的转录调控网络并发现一系列C2H2类锌指（zinc-finger，ZNF）编码基因在春化后的调控网络中被更多环聚集到一起。

▲小麦春化过程中通过H3K4me3相关的染色质环实现高效的基因转录

研究人员对鉴定到的差异表达ZNF基因进行单倍型分析，发现有12个ZNF基因的不同单倍型在开花时间上存在差异，预示它们在小麦开花调节上的潜在功能。进一步的转基因功能验证，发现其中TaZNF10的超量表达使小麦开花延迟，而其关键结构域上的缺失突变体植株开花提前，它们与野生型间开花时间上的差异随着春化时间的不足而加大，说明TaZNF10基因参与小麦春化相关的开花调控过程。

▲ZNF基因在春化介导的小麦开花调控中发挥作用

华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室、湖北洪山实验室刘艳艳博士、博士研究生许欣桐及贺超副研究员为论文共同第一作者。作物遗传改良全国重点实验室、湖北洪山实验室李兴旺教授、高界博士，博士研究生晋留杰、周子茹、郭闽榕、陈川晔，已毕业硕士王新，及Ayaad博士参与了该研究工作。

近日，华中农业大学果蔬园艺作物种质创新与利用全国重点实验室、湖北洪山实验室刘继红教授课题组在The Plant Cell杂志上发表题为“The transcription factor TGA2 orchestrates salicylic acid signal to regulate cold-induced proline accumulation in Citrus”的研究论文，揭示了水杨酸通过TGA2-P5CS1/ICS1模块调控脯氨酸积累参与柑橘耐寒性的机制。

柑橘是世界第一大类水果，也是我国南方最重要的果树作物。柑橘喜温畏寒，低温胁迫严重制约了柑橘产业的绿色健康发展。枳（Citrus trifoliata L.）是重要的柑橘耐寒资源，为挖掘抗寒基因提供了珍贵材料。过去很多研究表明，植物在低温胁迫下会积累脯氨酸减轻伤害，但低温下脯氨酸积累的分子调控机制尚不明晰。

吡咯啉-5-羧酸合成酶（P5CS1，Delta-1-pyrroline-5-carboxylate synthetase 1）介导的脯氨酸生物合成在植物逆境响应中具有重要的保护作用。水杨酸受体NPR（NONEXPRESSOR OF PATHOGENESIS-RELATED GENES）和TGA（TGACG sequence-specific binding proteins）转录因子是水杨酸（salicylic acid，SA）信号通路的核心组分。课题组前期研究发现，参与脯氨酸合成的基因CtrP5CS1受到低温强烈的诱导表达。然而在低温胁迫下脯氨酸的合成调控机制及上游信号通路仍知之甚少。

▲CtrTGA2-CtrP5CS1/CtrICS1模块在低温胁迫中的作用模式图

课题组以响应低温CtrP5CS1启动子片段的为诱饵开展酵母单杂交文库筛选实验，挖掘到一个bZIP家族转录因子CtrTGA2。通过Y1H、EMSA、ChIP-qPCR和LUC等实验证明了CtrTGA2能特异性结合CtrP5CS1启动子上的TGACG序列并激活该基因表达。随后，通过转基因实验表明CtrTGA2通过调控CtrP5CS1表达和脯氨酸合成积累从而增强枳抗寒性。此外，CtrTGA2直接调控参与SA生物合成基因CtrICS1的表达，形成正反馈回路，增强CtrTGA2介导的CtrP5CS1的转录激活。研究人员进一步发现CtrTGA2受SA强烈诱导，发现CtrNPR3可以与CtrTGA2互作并减弱CtrTGA2对靶基因的激活，CtrNPR3负调控枳抗寒性，而外施SA可部分解除该抑制作用。

综上，该研究表明TGA2-P5CS1/ICS1模块通过整合SA信号调控脯氨酸合成参与柑橘低温应答，解析了低温胁迫下脯氨酸积累的分子机制，丰富了植物低温逆境下代谢物调控网络，为柑橘抗寒育种和研发缓解柑橘低温伤害的技术提供了理论和实践基础。

华中农业大学园艺林学学院刘继红教授为该论文通讯作者，博士毕业生肖玮为该论文第一作者，李春龙教授为本研究提供了指导和帮助。刘继红教授课题组长期致力于柑橘逆境应答与调控研究，重点关注脯氨酸、多胺和甜菜碱等代谢物在柑橘应答非生物胁迫的作用及调控机制。2024年，课题组有关研究成果已发表于Journal of Integrative Plant Biology（在读博士生李梦迪）、Plant Physiology（已毕业博士生肖鹏）、Plant Journal（博士后Mahida Khan，已毕业博士生张杨）、Horticulture Research（已毕业博士生明如宏）等期刊，并在Plant Biotechnology Journal和Journal of Integrative Plant Biology发表了多胺方面的综述文章。相关研究依托华中农业大学果蔬园艺作物种质创新与利用全国重点实验室平台。

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