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最新觀點| 高溫條件下組蛋白H3K27me3抑制茉莉酸合成及信號傳導影響棉花雄性育性

溫室效應導致全球氣溫不斷升高,高溫脅迫已成為農作物生產的重要制約因素。棉花作為重要的經濟作物和戰略物資,其主要種植在夏季,因此常會遭遇高溫脅迫而造成減產。而造成減產的主要原因是高溫脅迫引起棉花雄性不育,因此深入研究高溫引起雄性不育機理對耐高溫育種至關重要。

近日,華中農業大學植物科學技術學院張獻龍教授團隊在Plant Communications 發表了題為“Histone H3 lysine 27 trimethylation suppresses jasmonate biosynthesis and signaling to affect male fertility under high temperature in cotton”的研究論文,該研究闡明了H3K27me3組蛋白修飾對于高溫脅迫下棉花雄性育性的調控作用,為后續培育出抗高溫種質提供了理論基礎。

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前期該團隊已經發現組蛋白修飾相關基因的表達在棉花花藥中會受高溫脅迫誘導變化(Min et al., 2014 Plant Physiology),表明組蛋白修飾可能參與高溫下棉花雄性育性調控,但是組蛋白修飾是否真正參與,以及如何參與調控高溫下的棉花雄性育性還未可知。因此作者使用兩個在高溫下存在育性差異的材料:“84021” (耐高溫)和“H05”(敏高溫),分別在正常條件和高溫脅迫條件下,構建了絨氈層降解時期和花藥開裂期兩個對高溫敏感的花藥發育時期的H3K4me3和H3K27me3兩種組蛋白修飾圖譜。分析發現H3K4me3和H3K27me3兩種組蛋白修飾都會響應高溫脅迫而發生變化,其中在高溫條件下H3K4me3在“84021”和“H05”兩個材料中的變化一致,而H3K27me3修飾在高溫下的變化在兩個材料中卻出現分化:“84021”中修飾下降,“H05”中修飾上升,尤其是在花藥開裂期 (圖 1)。這說明H3K27me3修飾比H3K4me3修飾在調控高溫雄性不育過程中發揮更重要的作用。同時在棉花花藥中鑒定到大量的H3K4me3-H3K27me3二價修飾,并發現H3K4me3-H3K27me3二價修飾中主要由H3K27me3修飾起主導作用,而且H3K4me3-H3K27me3二價修飾相比于單價H3K27me3,H3K4me3修飾對高溫的響應更加劇烈,這不僅說明H3K4me3-H3K27me3共價修飾在高溫響應方面可能起獨到的作用,也進一步表明H3K27me3修飾在調控高溫雄性不育過程的重要作用。

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圖1. 高溫條件下棉花花藥中H3K4me3和H3K27me3修飾的全基因組圖譜


后面繼續分析發現高溫下茉莉酸相關通路基因的H3K27me3修飾變化在“84021”和“H05”中出現明顯差異,造成高溫下茉莉酸相關基因的表達變化在兩個材料中出現分化:高溫下“84021”中茉莉酸通路相關基因H3K27me3修飾下降,表達上調; “H05”中茉莉酸通路基因H3K27me3修飾上升,表達處于較低水平,導致高溫下“84021”中茉莉酸含量處于穩定狀態,而“H05”中茉莉酸含量顯著下降,引起雄性不育。對敏高溫材料“H05”外施茉莉酸甲酯可以有效提高“H05”的高溫育性(圖 2)。進一步對高溫下擁有顯著H3K27me3修飾變化的JA合成基因GhAOS, GhAOC2進行突變后,均出現明顯雄性不育表型。進一步對敏高溫材料“H05”在高溫下外施H3K27me3抑制劑,可以有效提高JA合成相關基因的表達,從而保持“H05“中高溫下茉莉酸含量穩態,提高高溫下雄性育性。說明高溫下H3K27me3是通過控制茉莉酸通路基因的表達來調控雄性育性的。

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圖2. 高溫下H3K27me3通過影響茉莉酸含量調控棉花的雄性育性


該研究為高溫脅迫下組蛋白修飾對雄性育性的調控提供了新的見解,豐富了棉花雄性器官響應高溫的理論機制,并提出了提高棉花高溫耐性的潛在機制 (圖 3)。

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圖3. H3K27me3通過介導JA的平衡調控棉花的雄性耐熱性


華中農業大學博士后李焱龍為論文第一作者,作物遺傳改良全國重點實驗室和湖北洪山實驗室張獻龍教授和閔玲教授為論文共同通訊作者,朱龍付教授,王茂軍教授和博士后馬益贊參與了研究設計和文章修改。該研究得到了湖北洪山實驗室產業鏈重大項目(2022hszd004),國家自然科學基金面上項目(32072024),中國農業農村部棉花產業體系(CARS-15-04),國家重點研發計劃(2022YFF1003502)等項目的資助。




原文鏈接:

https://doi.org/10.1016/j.xplc.2023.100660











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