春化作用是指某些植物必須經(jīng)歷一段時(shí)間的持續(xù)低溫才能由營養(yǎng)生長階段轉(zhuǎn)入生殖階段生長的現(xiàn)象。植物如何響應(yīng)并記憶長時(shí)間的低溫處理即春化作用一直是表觀遺傳學(xué)和發(fā)育生物學(xué)研究的熱點(diǎn)。解析植物如何響應(yīng)冬季低溫，并在春季氣溫上升后能“記住”其冬季低溫經(jīng)歷、以適時(shí)開花的分子機(jī)制，具有重要的理論和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。它可確保植物避免在寒冷的冬季開花而在溫暖的春季開花以有利于結(jié)實(shí)。該機(jī)制的解析與作物栽培季節(jié)的選擇、跨地域的引種馴化等密切相關(guān)。

《自然》雜志在線發(fā)表了中科院上海植物逆境生物學(xué)研究中心何躍輝研究組完成的題為“Embryonic epigenetic reprogramming by a pioneer transcription factor in plants（植物基因在胚胎發(fā)育早期的從頭激活分子機(jī)理）”的研究論文。在本研究中，該研究組進(jìn)一步揭示了開花后的胚胎發(fā)育早期擦除‘低溫記憶’，激活FLC基因使下一代又需經(jīng)歷冬季低溫才能在春季開花的分子機(jī)制。

該研究組于2016年12月在Nature Genetics報(bào)道了模式開花植物擬南芥在幼苗期，如何利用長期低溫（冬季）沉默開花抑制關(guān)鍵基因FLC的表達(dá)并隨后在常溫維持其沉默（‘低溫記憶’）的表觀遺傳機(jī)制，這一機(jī)理使植物能夠在隨后的春季開花（春化作用）。該研究組去年在Nature Genetics報(bào)道了擬南芥營養(yǎng)生長時(shí)期， 一類植物特有的基因表達(dá)調(diào)控因子識(shí)別 FLC基因上的DNA模塊 （低溫記憶元件）， 從而沉默F(xiàn)LC表達(dá)；并且在氣溫上升后這些因子‘滯留’在FLC位點(diǎn)以繼續(xù)維持其沉默。這一發(fā)現(xiàn)解釋了在營養(yǎng)生長階段（幼苗期）擬南芥響應(yīng)和記憶冬季低溫的分子與表觀遺傳機(jī)制。

該項(xiàng)研究揭示了開花后的胚胎發(fā)育早期擦除‘低溫記憶’，重新激活FLC基因的分子機(jī)制； 此外、研究發(fā)現(xiàn)了植物營養(yǎng)生長期的‘胚胎記憶’現(xiàn)象及調(diào)控這一現(xiàn)象的表觀遺傳機(jī)理。幼苗期的植株經(jīng)歷冬季低溫后，F(xiàn)LC位點(diǎn)一直處于關(guān)閉狀態(tài)即使春季氣溫已回升，這種關(guān)閉狀態(tài)一直到成年期開花。開花后、在胚胎發(fā)育早期FLC被重新激活； 此‘胎性’激活狀態(tài)會(huì)傳遞到幼苗， 這樣就形成了苗期的‘胎性記憶’（好比成年人的幼時(shí)記憶）。因FLC在秋季的幼苗中處于激活狀態(tài) （種子在秋季發(fā)芽出苗）， 從而防止植物在過冬前或過冬時(shí)開花。

專家表示，這項(xiàng)研究揭示了植物早期胚胎染色質(zhì)狀態(tài)重編程的嶄新分子機(jī)制，同時(shí)也闡述了胚胎中的基因激活如何傳遞到發(fā)育后期的表觀遺傳機(jī)理，是開花調(diào)控分子與遺傳機(jī)制的重要突破。該研究不僅具有重要的理論意義，同時(shí)也為其在作物花期調(diào)控的生產(chǎn)應(yīng)用提供了新的作用靶點(diǎn)。

據(jù)悉，逆境中心植物環(huán)境表觀遺傳學(xué)研究組的何躍輝研究員為通訊作者，陶增副研究員為**作者；新加坡國立大學(xué)的俞皓實(shí)驗(yàn)室合作參與了本項(xiàng)研究。該工作得到了中國科學(xué)院和科技部經(jīng)費(fèi)的資助。