我園研究人員揭示Polycomb蛋白在成花基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)層面上促進(jìn)花發(fā)育和花器官命運(yùn)決定性

花發(fā)育過(guò)程中，Polycomb group（PcG）蛋白介導(dǎo)的組蛋白3賴氨酸27位的3甲基化（H3K27me3）控制著許多發(fā)育調(diào)控因子在時(shí)間和空間上表達(dá)的準(zhǔn)確性。花分生組織中干細(xì)胞因子WUS的表觀遺傳沉默機(jī)制依賴于PcG蛋白介導(dǎo)的H3K27me3修飾。然而，在花分生組織命運(yùn)決定過(guò)程中，H3K27me3介導(dǎo)的其他分生組織調(diào)控因子及細(xì)胞多能性調(diào)控因子的沉默機(jī)制尚未被深入研究。 

近日，我園外籍研究員、PI負(fù)責(zé)人Ralf Mueller-Xing團(tuán)隊(duì)在Journal of Experimental Botany上發(fā)表了“Polycomb proteins control floral determinacy by H3K27me3-mediated repression of pluripotency genes in Arabidopsis thaliana”的研究論文。該研究揭示在早期花發(fā)育過(guò)程中不同基因位點(diǎn)PcG加載的表觀遺傳調(diào)控作用；通過(guò)對(duì)表觀組和轉(zhuǎn)錄組測(cè)序結(jié)果分析鑒定出成花調(diào)控網(wǎng)絡(luò)及其中關(guān)鍵的調(diào)控因子，并對(duì)這些因子進(jìn)行異位表達(dá)和突變體表型分析，深入研究了其對(duì)花發(fā)育的調(diào)控機(jī)制。

重要結(jié)果如下：

① 成花誘導(dǎo)以后全基因組水平H3K27me3的變化

對(duì)植物材料AP1-GR ap1-1 cal-1誘導(dǎo)開花的第0天和5天進(jìn)行H3K27me3 ChIP-Seq實(shí)驗(yàn)。共鑒定出420個(gè)組蛋白差異甲基化的基因，其中296個(gè)編碼基因，3個(gè)miRNA和5個(gè)專座子原件。其中鑒定出的花發(fā)育或分生組織發(fā)育相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子151個(gè)，分別屬于MADS家族、HD家族等（圖1）。

圖1. AP1-GR ap1-1 cal-1成花誘導(dǎo)以后全基因組水平H3K27me3水平的變化。A-B，AP1-GR ap1-1 cal-1誘導(dǎo)開花系統(tǒng)；C，SVP原位雜交；D-F，AP1-GR ap1-1 cal-1誘導(dǎo)開花的第0天和5天進(jìn)行H3K27me3 ChIP-Seq實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

② 在全基因組水平分析早期花發(fā)育過(guò)程中H3K27me3水平的變化與基因表達(dá)水平變化的相關(guān)性。

ChIP-seq和RNA-seq的相關(guān)分析表明，在全基因組水平H3K27me3水平的變化與mRNA的表達(dá)具有顯著負(fù)相關(guān)。Ralf Mueller-Xing小組鑒定出151個(gè)編碼基因其在早期花發(fā)育過(guò)程中H3K27me3水平顯著上調(diào)同時(shí)mRNA水平顯著下調(diào)，其中轉(zhuǎn)錄因子占40.4%；49個(gè)編碼基因位點(diǎn)H3K27me3水平顯著下調(diào)同時(shí)mRNA水平顯著上調(diào)，其中轉(zhuǎn)錄因子占26.5%。這些具有顯著相關(guān)性的轉(zhuǎn)錄因子分別屬于HD、C2H2 Zn、MADS、AP2/ERF、SRS、bHLH、DOF Zn、HD-ZIP、MYB、OBO等蛋白家族（圖2）。

圖2. 早期花發(fā)育階段全基因組水平H3K27me3水平的變化與基因表達(dá)水平變化的相關(guān)性。A-F，ChIP-seq和RNA-seq的相關(guān)分析。

③ PRC2復(fù)合體能夠在靶基因位點(diǎn)加載H3K27me3，PRC2家族蛋白功能缺失突變體具有花分生組織原基增大、花分生組織干細(xì)胞池的保持時(shí)間增長(zhǎng)和干細(xì)胞活性延長(zhǎng)的特性。

PcG功能缺失突變體emf2-10 vrn2-1 (ev) 和clf-28 swn-7 CLF-GR (iCLF)具有花器官顯著增多、第五輪花器官的出現(xiàn)以及短棒狀角果的表型。Ralf Mueller-Xing小組同時(shí)發(fā)現(xiàn)PcG功能缺失突變體的表型與clavata（clv）突變體的表型類似（圖3）。

圖3. PcG功能缺失突變體emf2-10 vrn2-1 (ev) 和clf-28 swn-7 CLF-GR (iCLF)的表型。WT為野生型對(duì)照。

RNA原位雜交結(jié)果表明PcG功能缺失突變體ev背景下CLV3的表達(dá)區(qū)域擴(kuò)大同時(shí)表達(dá)時(shí)間延長(zhǎng)，這與ev突變體中花分生組織干細(xì)胞池的保持時(shí)間增加和干細(xì)胞活性延長(zhǎng)相一致。然而ev背景下WUS::GUS的表達(dá)范圍與表達(dá)時(shí)間與野生型相比均減小。clv3與ev的三突變體的心皮數(shù)目正好是clv3單突變體和ev雙突變體心皮數(shù)目的疊加，表明PcG調(diào)控花分生組織大小和干細(xì)胞池的命運(yùn)與CLV3信號(hào)途徑是兩個(gè)平行的調(diào)控途徑（圖4）。

圖4. PcG功能缺失突變體ev與clavata（clv）突變體的遺傳互作分析。A-D，ev與野生型分生組織大小比較；E-J，CLV和WUS基因RNA原位雜交；K-L，WUS::GUS表達(dá)分析；M-O，clv3和ev心皮數(shù)比較；P，ev背景下WUS原位雜交；Q-R，ev和clv3遺傳互作分析。

⑤ PcG蛋白通過(guò)表觀遺傳途徑沉默花發(fā)育ABCE功能基因的上游抑制子AGL24和分生組織干細(xì)胞調(diào)控因子STM進(jìn)而決定花分生組織干細(xì)胞命運(yùn)的中止。

在組蛋白修飾和基因表達(dá)水平AGL24和STM都受PcG家族蛋白的調(diào)控，AGL24過(guò)表達(dá)株系具有與PcG功能缺失突變體ev類似的花分生組織增殖的表型，ev agl24三突變體能夠顯著抑制ev的花器官增殖的表型，同時(shí)發(fā)現(xiàn)AGL24的調(diào)控作用是通過(guò)抑制下游AP1、PI、AG 和SEP3表達(dá)而實(shí)現(xiàn)的。干細(xì)胞調(diào)控因子WUS和STM同時(shí)受PcG調(diào)控，這兩個(gè)原件調(diào)控活性改變也是PcG突變體背景下花分生組織干細(xì)胞池?zé)o法中止的主要原因（圖5）。

圖5. PcG蛋白通過(guò)表觀遺傳途徑沉默花發(fā)育ABCE功能基因的上游抑制子AGL24和分生組織干細(xì)胞調(diào)控因子STM進(jìn)而決定花分生組織干細(xì)胞命運(yùn)的中止。A，ev背景下成花調(diào)控基因的表達(dá)；B-I，ev和AGL24的遺傳互作分析。

⑥文章最后提出PRC2介導(dǎo)的成花相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子表觀遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)PcG蛋白在花發(fā)育的功能提出了新的見(jiàn)解，即PcG蛋白不僅可以直接抑制其靶基因的表達(dá)，還可以在轉(zhuǎn)錄因子構(gòu)建的基因表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中通過(guò)抑制轉(zhuǎn)錄抑制因子的表達(dá)間接促進(jìn)基因表達(dá)，進(jìn)而調(diào)控早期花發(fā)育（圖6）。

該研究論文通訊作者為Ralf Mueller-Xing，我園邢倩副研究員為共同通訊作者。東北林業(yè)大學(xué)的博士和碩士研究生主要參與了研究工作。Journal of Experimental Botany為中科院1區(qū)Top期刊，2021-2022年影響因子為7.3。該論文全文鏈接https://doi.org/10.1093/jxb/erac013。 

團(tuán)隊(duì)帶頭人Ralf Mueller-Xing博士為德國(guó)籍，博士畢業(yè)于德國(guó)杜塞爾多夫大學(xué)，先后在英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)、德國(guó)馬普所進(jìn)行博士后研究，獲得歐盟瑪麗居里項(xiàng)目資助在杜薩爾多夫大學(xué)獨(dú)立研究。自2015年9月來(lái)到東北林業(yè)大學(xué)，受聘教授、博士生導(dǎo)師并以“5211”“杰出青年學(xué)者”資助為平臺(tái)組成研究團(tuán)隊(duì)、建立實(shí)驗(yàn)室，2021年9月入職廬山植物園。Ralf Mueller-Xing有數(shù)十篇高影響因子及高引用論文發(fā)表，論文他引次數(shù)超過(guò)1300次，其中有作為第一、共同作者的影響因子超過(guò)10.0期刊論文4篇，其中一篇入選The Plant Cell雜志封面文章，有超過(guò)6年以上作為教授、博士生導(dǎo)師及科研團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人的工作經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)還主持、結(jié)題過(guò)多項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、省部級(jí)科研項(xiàng)目以及歐盟Marie-Curie、德國(guó)DAAD的科研項(xiàng)目。