近日，南方科技大學生命科學學院助理教授吳柘課題組在植物學期刊The Plant Cell線上發表了題為“Progressive chromatin silencing of ABA biosynthesis gene permits seed germination in Arabidopsis”的研究論文，揭示了植物激素ABA的生物合成基因在染色質水准被選擇性沉默對於種子萌發起到的門控作用。在分子水准，該研究展示了RNA結合蛋白RZ-1與組蛋白修飾複合物PRC2在染色質水准協同工作、在關鍵發育基因上建立及維持基因沉默、從而介導種子萌發的詳細機制，為種子萌發以及植物錶觀遺傳調控提供了新的知識參攷。
眾所周知，種子不僅是農業生產的產品——糧食，也直接關係到農業生產的第一步——播種。種子播種後，快速、均一、高效的萌發一直是農業生產上追求的理想性狀和控制目標。植物種子通常可以在乾燥環境中保持較長時間的活力。在遇到有利的生長環境時，如充足的水分、合適的溫度和光照等，種子會啟動萌發程式並迅速成長為新的植株。從休眠的胚胎轉變為活躍生長的幼苗這一關鍵發育過程涉及上萬個基因的表達變化，此前不知道究竟哪些基因表達的變化對萌發過程是關鍵的。此外，對基因表達的控制常需要染色質水准機制的參與，在染色質水准種子萌發如何被調控，也是懸而未決的重要問題。
作為本研究的切入點，吳柘實驗室長期關注模式植物擬南芥中兩個功能冗餘的RNA結合蛋白RZ-1B/1C，rz-1b/1c雙重缺失突變體表現出種子萌發的劇烈延遲。結合基因表達模式、激素及抑制劑處理後的錶型分析以及植物激素脫落酸（ABA）含量測定，研究人員發現rz-1b/1c突變體萌發延遲的原因是種子中ABA水准的升高。與此對應，研究人員發現ABA合成途徑中限速酶（9-順式環氧類胡蘿蔔素雙加氧酶）的編碼基因NCEDs、以及ABA訊號途徑關鍵因數編碼基因ABI3在野生型中隨萌發行程其表達量逐漸降低並保持沉默狀態，而在rz-1b/1c突變體中這些基因表達存在不同程度的啟動。進一步的遺傳學研究顯示，將rz-1b/1c與nced6或abi3突變體雜交後可以完全或部分回復其萌發表型（圖1），表明RZ-1通過沉默ABA生物合成和訊號基因來促進萌發。
圖1：與ABA合成或訊號突變體雜交可回復rz-1b rz-1c萌發表型
此前吳柘課題組在Molecular Plant期刊上發表了eCLIP-seq數據，證明RZ-1能在擬南芥幼苗體內直接結合RNA；在本研究中，研究人員針對種子中的不同亞細胞組分別開展了RNA免疫沉澱實驗，證明萌發過程中RZ-1在染色質水准結合NCED6和ABI3的新生RNA，顯示其是RZ-1的直接作用底物。由於野生型幼苗期NCED6和ABI3位點上存在H3K27me3這一經典的沉默型染色質修飾，研究人員進一步探究了PRC2介導的染色質沉默機制是否也參與了上述基因的沉默過程。與野生型種子相比，PRC2缺陷突變體swnclf同樣表現出萌發延遲，而rz-1b rz-1c swnclf四重突變體幾乎完全不能萌發；在此基礎上構建rz-1b rz-1c swnclf aba1五重突變體則又能重新正常萌發，說明RZ1和PRC2通過協同作用抑制ABA的合成進而對萌發起到門控作用。進一步的mRNA-seq分析發現RZ1和PRC2在萌發過程中共同參與了對包括NCED6和ABI3在內大量基因的沉默，在基因表達上RZ1和PRC2也存在協同作用（圖2）。
圖2:RZ-1與PRC2在種子萌發及對應的基因表達調控上存在協同效應
為了探究RZ-1與PRC2協同調控的可能機制，研究人員利用蛋白質譜分析找到了在吸漲種子中與RZ-1關聯的蛋白。其中參與組蛋白修飾的一類蛋白引起了他們的興趣，包括組蛋白去乙醯化酶HDA19、H3K4me3的識別蛋白AL以及PRC2複合體的外周組分MSI1、DDB1-CUL4等。通過對種子萌發過程中組蛋白修飾（H3K27me3、H3K27me3和H3Ac）水准進行測定，結合相關突變體錶型檢測以及HDA19的染色質結合測定，研究人員發現在NCED6及ABI3等重要基因上，存在一個漸進式的染色質沉默過程。在萌發早期，這些基因上H3K27me3尚未建立，此時由RZ-1部分通過幫助組蛋白的去乙醯化來介導基因表達在轉錄水准進行沉默（圖3），轉錄水准的沉默進一步為PRC2的介入創造了條件，並最終在萌發後幼苗早期完成H3K27me3的建立並達成對這些位點穩定的染色質沉默（圖4）。值得注意的是，RZ-1和PRC2不是傳統意義上的遺傳學上下游關係，而是一種相互補充和協同的關係；RZ-1在H3K27me3尚未建立時發揮最大作用，同時幫助了H3K27me3的及時建立，從而達到高效及時的基因沉默。
圖3:RZ-1參與了種子萌發過程中需要沉默的關鍵基因上組蛋白修飾的變化
圖4:RZ-1與PRC2協同調控種子萌發的可能機制
該成果是吳柘繼2016年在The Plant Cell、2020年在Molecular Plant上報導rz-1b rz-1c雙突變體錶型以及RZ-1蛋白的RNA結合模式之後，針對種子萌發這一發育過程的調控取得的又一項重要進展。吳柘課題組高級研究學者楊德月、博士後趙鳳利為論文共同第一作者，吳柘為論文通訊作者，南科大是論文第一單比特。北京大學教授瞿禮嘉在課題起始階段給予了關鍵性指導並提供了部分實驗資料。南京農業大學教授吳玉峰、河南大學教授陳敏、南科大教授陳曦、杜嘉木分別從生物資訊分析、萌發實驗設計、ChIP-seq體系建立及實驗結果解釋方面參與了本項研究。中科院昆明植物所研究員齊金峰、吳建强為種子中ABA的測定提供了幫助，英國John Innes Centre的教授Caroline Dean、南科大教授郭紅衛、農科院基因組所研究員向勇和中國農大教授李繼剛也為本研究提供了寶貴意見。該研究得到了國家自然科學基金、廣東省創新創業團隊、深圳市科創委以及廣東省植物細胞工廠分子設計重點實驗室基金的資助。
論文連結：https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koac134/6581715？login=true