我園研究人員揭示Polycomb蛋白在成花基因調控網絡的多個層面上促進花發(fā)育和花器官命運決定性

花發(fā)育過程中，Polycomb group（PcG）蛋白介導的組蛋白3賴氨酸27位的3甲基化（H3K27me3）控制著許多發(fā)育調控因子在時間和空間上表達的準確性?；ǚ稚M織中干細胞因子WUS的表觀遺傳沉默機制依賴于PcG蛋白介導的H3K27me3修飾。然而，在花分生組織命運決定過程中，H3K27me3介導的其他分生組織調控因子及細胞多能性調控因子的沉默機制尚未被深入研究。 

近日，我園外籍研究員、PI負責人Ralf Mueller-Xing團隊在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)育過程中不同基因位點PcG加載的表觀遺傳調控作用；通過對表觀組和轉錄組測序結果分析鑒定出成花調控網絡及其中關鍵的調控因子，并對這些因子進行異位表達和突變體表型分析，深入研究了其對花發(fā)育的調控機制。

重要結果如下：

① 成花誘導以后全基因組水平H3K27me3的變化

對植物材料AP1-GR ap1-1 cal-1誘導開花的第0天和5天進行H3K27me3 ChIP-Seq實驗。共鑒定出420個組蛋白差異甲基化的基因，其中296個編碼基因，3個miRNA和5個專座子原件。其中鑒定出的花發(fā)育或分生組織發(fā)育相關轉錄因子151個，分別屬于MADS家族、HD家族等（圖1）。

圖1. AP1-GR ap1-1 cal-1成花誘導以后全基因組水平H3K27me3水平的變化。A-B，AP1-GR ap1-1 cal-1誘導開花系統；C，SVP原位雜交；D-F，AP1-GR ap1-1 cal-1誘導開花的第0天和5天進行H3K27me3 ChIP-Seq實驗結果。

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

ChIP-seq和RNA-seq的相關分析表明，在全基因組水平H3K27me3水平的變化與mRNA的表達具有顯著負相關。Ralf Mueller-Xing小組鑒定出151個編碼基因其在早期花發(fā)育過程中H3K27me3水平顯著上調同時mRNA水平顯著下調，其中轉錄因子占40.4%；49個編碼基因位點H3K27me3水平顯著下調同時mRNA水平顯著上調，其中轉錄因子占26.5%。這些具有顯著相關性的轉錄因子分別屬于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水平變化的相關性。A-F，ChIP-seq和RNA-seq的相關分析。

③ PRC2復合體能夠在靶基因位點加載H3K27me3，PRC2家族蛋白功能缺失突變體具有花分生組織原基增大、花分生組織干細胞池的保持時間增長和干細胞活性延長的特性。

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以及短棒狀角果的表型。Ralf Mueller-Xing小組同時發(fā)現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為野生型對照。

RNA原位雜交結果表明PcG功能缺失突變體ev背景下CLV3的表達區(qū)域擴大同時表達時間延長，這與ev突變體中花分生組織干細胞池的保持時間增加和干細胞活性延長相一致。然而ev背景下WUS::GUS的表達范圍與表達時間與野生型相比均減小。clv3與ev的三突變體的心皮數目正好是clv3單突變體和ev雙突變體心皮數目的疊加，表明PcG調控花分生組織大小和干細胞池的命運與CLV3信號途徑是兩個平行的調控途徑（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表達分析；M-O，clv3和ev心皮數比較；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和分生組織干細胞調控因子STM進而決定花分生組織干細胞命運的中止。

在組蛋白修飾和基因表達水平AGL24和STM都受PcG家族蛋白的調控，AGL24過表達株系具有與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，同時發(fā)現AGL24的調控作用是通過抑制下游AP1、PI、AG 和SEP3表達而實現的。干細胞調控因子WUS和STM同時受PcG調控，這兩個原件調控活性改變也是PcG突變體背景下花分生組織干細胞池無法中止的主要原因（圖5）。

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

⑥文章最后提出PRC2介導的成花相關轉錄因子表觀遺傳調控網絡模型，對PcG蛋白在花發(fā)育的功能提出了新的見解，即PcG蛋白不僅可以直接抑制其靶基因的表達，還可以在轉錄因子構建的基因表達調控網絡中通過抑制轉錄抑制因子的表達間接促進基因表達，進而調控早期花發(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。 

團隊帶頭人Ralf Mueller-Xing博士為德國籍，博士畢業(yè)于德國杜塞爾多夫大學，先后在英國愛丁堡大學、德國馬普所進行博士后研究，獲得歐盟瑪麗居里項目資助在杜薩爾多夫大學獨立研究。自2015年9月來到東北林業(yè)大學，受聘教授、博士生導師并以“5211”“杰出青年學者”資助為平臺組成研究團隊、建立實驗室，2021年9月入職廬山植物園。Ralf Mueller-Xing有數十篇高影響因子及高引用論文發(fā)表，論文他引次數超過1300次，其中有作為第一、共同作者的影響因子超過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6年以上作為教授、博士生導師及科研團隊負責人的工作經驗。同時還主持、結題過多項國家自然科學基金項目、省部級科研項目以及歐盟Marie-Curie、德國DAAD的科研項目。