组蛋白去乙酰化酶抑制剂TSA处理对杨树茎生长发育的影响
寇焙森，程萌萌，郭雪琴，葛彬，刘迪，陆海，李慧
DOI: 10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2024-0469
组蛋白乙酰化/去乙酰化修饰是表观遗传调节中的重要修饰之一，组蛋白乙酰化修饰受组蛋白乙酰基转移酶（histone acetyltransferase, HATs）和组蛋白去乙酰化酶（histone deacetylase, HDACs）共同调控。HAT和HDAC之间的动态平衡调控组蛋白乙酰化/去乙酰化状态，进而控制基因转录的启动和关闭。
植物组蛋白去乙酰化酶HDACs可分为3个亚家族：RPD3/HDA1家族、SIR2家族和HD2家族。在拟南芥中，共鉴定到18个HDACs，其中包含12个RPD3亚家族成员，4个HD2亚家族成员，2个SIR2亚家族成员；而在木本植物中毛果杨（Populus trichocarpa）中鉴定出16个HDACs。HDAC广泛参与植物生长发育过程，包括植物花发育、种子发育、根发育、细胞的增殖和死亡等。HDAC还参与调控叶片的发育过程。此外，HDACs在响应干旱、盐胁迫、低温等非生物胁迫中发挥关键作用。
组蛋白乙酰化调控在参与植物茎生长发育方面的报道较少。在杨树中，组蛋白乙酰转移酶GCN5-1与VCS2、WOX13a、ADA2b形成转录复合物，并结合在WOX4a的启动子上，调控杨树形成层细胞的增殖。在拟南芥中，hdt1突变导致导管和纤维细胞的细胞数量增加、体积减小及次生壁增厚，表明HDT1影响了木质部细胞的增殖和分化。在拟南芥叶片诱导导管分子分化系统中，添加TSA发现组蛋白乙酰化水平升高，影响了OFP1/4-MYB75-KNAT7-BLH6转录抑制复合物的表达，从而抑制导管细胞异位分化。
组蛋白去乙酰化酶抑制剂可以抑制HDAC的活性，提高组蛋白乙酰化水平，被广泛用于研究组蛋白乙酰化水平改变对植物生长发育的影响。TSA是氧肟酸盐类HDAC抑制剂，与RPD3/HDA1型HDAC活性部位的锌离子直接作用，从而抑制HDAC的活性。
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本文主要包括以下几部分内容：
2.1 Western blot检测组蛋白乙酰化水平的改变
2.2 转录组分析基因表达水平的改变
2.3 RT-qPCR验证
2.4 石蜡切片和扫描电镜分析杨树茎的表型
3 讨论
研究表明，组蛋白去乙酰化酶与转录因子形成复合物，结合在下游基因启动子序列直接调控基因表达。在杨树中，组蛋白乙酰化酶GCN5与转录因子AREB1、ADA2b形成三聚体复合物，与下游耐旱基因ABRE元件结合，提高杨树的抗旱能力。而且GCN5-1与维管形成层特异性转录因子VCS2、ADA2b、WOX13a形成四聚体转录复合物，结合在WOX4a的启动子上，调节杨树形成层细胞层数。本研究发现TSA处理后杨树导致茎中组蛋白H3乙酰化水平上升，同时145个转录因子的基因表达水平上调，包括AP2-EREBP、MYB、WRKY等，这些转录因子的表达是否需要HDAC参与，有待进一步研究。
组蛋白乙酰化可能通过直接影响细胞壁发育相关功能基因的表达，从而影响茎的发育。杨树的木质部发育包括了维管形成层细胞的增殖、木质部细胞的分化和扩张、次生细胞壁的沉积并伴随着细胞程序性死亡。果胶作为初生细胞壁重要组成成分，同时参与次生细胞壁的合成，PAE通过去除果胶分子的乙酰基团，改变果胶分子的电荷和结构，从而影响其在细胞壁中的交联程度和与其他分子的交互作用。PAE12被报道受转录因子NAC73负调控，以细胞壁果胶为底物水解乙酰酯键，抑制IAA合成通路，促进苜蓿分枝形成。XTH在细胞壁重构、松弛细胞壁及促进细胞生长方面发挥作用；CESA是细胞壁纤维素合成关键酶；4CL、CCR、CAD是木质素单体合成途径的关键酶，转录组分析显示这些基因表达上调，表明组蛋白乙酰化修饰可能通过影响细胞壁组分相关基因的表达来影响杨树细胞壁发育过程。表型分析显示TSA处理杨树导致其株高降低，这与HDAC突变拟南芥hdt1突变体植株的表型相似，hdt1突变体植株的导管和木纤维细胞细胞壁厚度显著增加。TSA导致杨树茎中细胞壁组分相关基因表达上调，是否会对细胞壁厚度及组分产生影响，有待进一步研究。
组蛋白去乙酰化酶抑制剂TSA处理导致杨树茎中组蛋白H3乙酰化水平上升和植株高度降低；转录组揭示与DNA-转录因子结合活性、细胞壁组分发育以及木质素合成相关基因表达水平上调，说明组蛋白乙酰化修饰在杨树茎发育中发挥重要作用。
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