非生物胁迫下植物组蛋白修饰参与基因表达调控的研究进展

赵琳 王璞 吴琦 宋瑞瑞 兰韬 云振宇

（1. 中国标准化研究院农业食品标准化研究所，北京 100191；2. 华中农业大学园艺林学学院，武汉 430070）

植物生存的环境是不断变化的，从较大的昼夜温差到季节性降雨引起的湿度变化与可用营养的变化，植物必须应对频繁的环境条件变化。然而大多数的环境中的这些极端条件只是偶尔发生，无法提供永久适应性的进化压力，因此植物需要一个安全保障机制来应对环境压力胁迫。灵活性是固定生长的植物应对生存压力的一个重要的要求，植物通过信号应答网络来维持这种灵活性，使它们迅速改变其生长发育状态、生理机能和新陈代谢来应答环境压力胁迫［1-2］。生物适应性应答是由多基因控制的，很大程度依赖基因表达的动态变化，尤其需要逆境胁迫诱导的一系列基因表达激活或者抑制的转录反应来协调［3］。

在过去的几十年里，已经广泛开展了植物对环境压力的转录应答研究，包括分析环境压力胁迫下全基因组转录模式，阐明特定信号通路，以及鉴定单个调节蛋白和它们的靶点等。这些研究得到大量关于植物如何对干旱、高盐、冷、热或洪涝等非生物环境胁迫作出应答的详细信息，获得的知识已经应用于提高作物的抗逆性［4-10］。近年来，科学家们开始认识到只有考虑表观遗传因素才能充分理解转录调控。

组蛋白修饰作为一种重要的表观遗传修饰，主要发生在组蛋白H3和H4的N端尾巴上，包括甲基化、乙酰化、磷酸化等修饰类型。根据被修饰的残基的位置以及修饰的类型，不同位点和类型的组蛋白修饰具有不同的基因表达调控效应。大量研究表明，非生物压力胁迫可引起基因启动子区域组蛋白修饰的改变，进而引起相应基因表达变化，参与胁迫应答过程。本文整理和总结了植物非生物胁迫的转录应答的近期研究成果，并且主要关注应对非生物胁迫时组蛋白修饰的变化。

1 非生物胁迫下的组蛋白甲基化

组蛋白甲基化是由组蛋白甲基转移酶（Histone methyltransferases，HMTs）催化的，可以被组蛋白去甲基化酶（Histone demethylases，HDMs）消除。组蛋白甲基化主要发生在组蛋白H3、H4的N端尾巴的赖氨酸（K）或精氨酸（R）残基上。甲基化修饰较为复杂，这种复杂性不仅仅表现在修饰位点的多样性，还表现在同一个修饰位点可发生不同程度的甲基化修饰。赖氨酸残基可以发生一、二或三甲基化，而精氨酸的残基可以被一或二甲基化，其中赖氨酸的甲基化更为普遍。

组蛋白甲基化修饰在调控植物应答非生物胁迫中具有重要作用。植物组蛋白的甲基化修饰主要发生在H3的第4、9和27位赖氨酸残基上。通常不同类型以及不同位点的甲基化修饰具有不同的效应，如H3K4me3、H3K9me3和H3K36me3与基因的转录激活有关［11-12］，H3K27me3可使特定区域发生沉默［13］，H3K9me2和 H3K27me1多富集于沉默转座子或DNA高甲基化的重复序列区域［14］。H3K4me3则是在非生物性胁迫情况下研究得最多的甲基化标记。植物非生物性胁迫下组蛋白赖氨酸甲基化和胁迫响应基因表达之间有潜在联系，全基因组染色质免疫共沉淀——高通量测序（Chromatin immunoprecipitation-sequencing，ChIP-Seq）分析数据显示干旱胁迫可以明显诱导水稻的H3K4me3修饰全基因组范围内的增加，但是只有部分基因表现了表达量上的差异［15］。因此，针对单个基因表达的表观遗传修饰调控模式的调查是非常有必要的，已通过染色质免疫共沉淀（ChIP）试验证实过的一些试验数据被列在表1中。

1.1 非生物胁迫下组蛋白赖氨酸甲基化与转录调控

组蛋白H3第4位赖氨酸甲基化通常与转录活化有关。以模式植物拟南芥为例，周期性的热压力、冷胁迫与盐胁迫均能导致免疫应答基因FRK1、WRKY53和NHL10启动子与第一个外显子区域的H3K4me2修饰水平的升高［16］。干旱胁迫促使拟南芥组蛋白甲基转移酶ATX1结合到NCED3染色质上，催化NCED3外显子区域发生H3K4me3，诱导基因表达量的升高［17］。同样，干旱压力还促使组蛋白去甲基化酶JMJ17与OST1染色质相互作用减弱，影响OST1的H3K4me3修饰水平，从而提升其基因表达［18］。拟南芥逆境应答基因RD29A、RD29B、RD20和RAP2.4在干旱处理下启动子与外显子区域的H3K4me3修饰水平均显著升高［19］。Nguyen等［20］使用甘露醇模拟渗透压力，发现压力诱导拟南芥基因AtMYB44启动子区域、TSS区域H3K4me3的修饰水平升高，而且AtMYB44下游因子ABI1、ABI2和HAI1的H3K4me3修饰有同样的变化［21］。也有研究表明，洪涝胁迫下水稻幼苗体内乙醇脱氢酶1（Ethanol dehydrogenase 1，ADH1）和丙酮酸脱羧化酶 1（Pyruvate decarboxylase 1，PDC1）基因编码区域的H3K4me3水平升高，H3K4me2水平下降，与ADH1和PDC1表达量的上调相关。一旦洪涝胁迫解除便会恢复到初始状态［22］。

H3K9me2与H3K4me3的作用相反，是基因转录沉默的标志。研究表明，DREB2A、RD29A、RD29B在盐胁迫环境下，启动子与外显子区域的H3K4me3富集程度有明显增加，而H3K9me2富集程度降低［23］。拟南芥核心蛋白复合体PRC2的成员OsFIEl对温度的变化非常敏感，热压力促使OsFIEl表达量的升高伴随着沉默标记H3K9me2在基因区域富集水平的降低［24］。此外，在番茄中干旱胁迫诱导Asr2各区域沉默标记H3K9me2水平的普遍降低［25］。

表1 不同植物物种在不同非生物胁迫条件下的组蛋白甲基化调控研究实例

H3K27me3最为熟知的功能就是在春化现象时对FLC的抑制，在非生物胁迫情况下其与基因表达之间的关系有待进一步研究。据报道，冷胁迫处理下拟南芥COR15A和AtGOLS3启动子区域H3K27me3富集程度降低，诱导COR15A和AtGOLS3表达以抵抗寒冷胁迫［26］。Zong等［27］发现干旱压力下水稻4个脱水蛋白基因表达升高，其基因区域的H3K4me3显著上调，抑制标记H3K27me3修饰显著下调。水稻种子发育过程中，高温压力会导致OsMADS82、OsMADS87、AGL36表达量的降低与其基因区域抑制标记H3K27me3富集水平的升高密切相关［24］。水稻在高盐胁迫下，OsMYB91启动子区域H3K27me3修饰水平快速降低介导该基因的表达［28］。番茄在干旱胁迫环境中，Asr1表达量的上调与抑制标记H3K27me3水平的降低密切相关［29］。另外，Sani等［30］研究发现用Na+预先处理过的植物比未处理的对照植物表现出更好的抗旱性。HKT1编码一个高亲和力的K+转运体，在HKT1区域H3K27me3的富集程度降低，暗示了基因抑制的释放，导致了一个快速且短暂的HKT1 mRNA水平的增加，可以解释这种由预激处理造成的生理效应。

1.2 组蛋白赖氨酸甲基化与胁迫记忆

已有研究表明，干旱胁迫应答可以通过改变一些干旱胁迫上调基因的组蛋白修饰的方式被记忆，H3K4me3是基因活化和胁迫记忆的一个很好的标记［31］。在暴露于24 h循环处理的拟南芥中（2 h空气干燥和22 h正常湿度恢复），研究人员检测到压力反应基因分为“不可训练型”（RD29A和COR15A）和“可训练型”（RD29B和RAB18）。在每一个恢复阶段，两种类型的基因转录都恢复到正常水平，但是基因区域的H3K4me3的动态变化明显不同。在“不可训练”基因中，每个胁迫处理时H3K4me3都增加到一个相似的程度，并且在恢复阶段回到正常水平。与之相反，在“可训练”基因中，重复胁迫处理时H3K4me3增加的更强，且在恢复阶段仍然保持高修饰水平［31］。另有最新的研究表明，热激反应时拟南芥APX2区域的H3K4me3和H3K4me2修饰水平增高，并且作为转录记忆在热激反应5 d后依然在APX2的5'端保持着高修饰水平［32］。组蛋白H3K4甲基化作为一个“记忆性”表观遗传标记，可以在随后的压力胁迫过程中影响基因的表达。因此，在一些非生物胁迫应答基因中，特定组蛋白甲基化修饰可以在胁迫解除后的有限时间内保留，当胁迫重新出现时，可迅速调节基因转录，使植物针对特定胁迫快速应对。然而，一个特定的胁迫诱导基因是否有转录的表观遗传记忆因子仍然需要进一步研究。

2 非生物胁迫下组蛋白乙酰化

组蛋白的乙酰化能降低组蛋白和DNA之间的电荷作用，从而降低其与DNA的亲和力，改变转录因子与模板DNA链的可及性，去乙酰化则增加这种作用。因此，组蛋白乙酰化倾向于诱导基因的活化。相反地，组蛋白乙酰化的移除可以导致基因抑制和沉默［33-34］。组蛋白乙酰化状态是由组蛋白乙酰转移酶（Histone acetyltransferase，HATs）和组蛋白去乙酰化酶（Histone deacetylase，HDAs）协同调节。近些年来的一系列研究表明，组蛋白乙酰化修饰的动态变化参与一些重要的胁迫应答基因的转录调控，这是一个非常重要的抗逆反应机制。我们在表2中总结了目前已通过ChIP验证的研究实例。

表2 不同植物物种在不同非生物胁迫条件下的组蛋白乙酰化调控研究实例

2.1 在拟南芥中非生物胁迫反应性组蛋白乙酰化与转录调控

组蛋白乙酰化修饰通常是在转录活性染色质区域，而染色质区域的去乙酰化则被认为是抑制了相关基因的表达［35］。据估计，拟南芥为了应对寒冷胁迫，有3%-20%的基因发生转录改变，其中一些表观遗传调节因子转录上调，这暗示它们的上调可能导致了靶基因的表观遗传和转录改变［36-37］。研究发现，长期低温处理可以诱导拟南芥HDA6的表达，并且这个基因的突变可以导致对冰冻胁迫的敏感性。持续干旱处理拟南芥1-5 h后，干旱应答基因如RD29A、RD29B、RD20和RAP2.4区域的组蛋白H3K9、H3K14、H3K23和H3K27位点会发生不同程度的乙酰化，高水平的乙酰化与基因转录增加密切相关［21］。干旱胁迫恢复过程中，基因区域的组蛋白标记H3K9乙酰化的移除促使诱导基因RD20、RD29A和AtGOLS2转录的抑制［38］。Zheng等［39］发现高盐压力胁迫下，组蛋白乙酰化酶GCN5介导的H3K9ac和H3K14ac参与生化酶CTL-1、PGX3、MYB54的表达激活。高温胁迫的ChIP分析结果显示组蛋白乙酰转移酶GCN5富集到HSFA3和UVH6启动子区域，催化该区域H3K9和H3K14的乙酰化，从而诱导HSFA3和UVH6表达［40］。除此之外，高温胁迫还会促使热激因子HsfA2和Hsa32外显子区域H3K56ac修饰水平的升高，参与HsfA2和Hsa32表达的激活［41］。

2.2 在农作物中非生物胁迫反应性组蛋白乙酰化

除了模式植物拟南芥，在农作物中也广泛开展了应对胁迫的组蛋白乙酰化/去乙酰化的研究。对水培的玉米根部进行高盐刺激，2种HAT基因（ZmHATB和ZmGCN5）的mRNA表达水平增高，导致总体H3K9和H4K5乙酰化水平的上升以及扩展蛋白和其他细胞壁相关基因的转录上调。在这些基因中，ZmEXPB2和ZmXET1的启动子区域均出现H3K9乙酰化水平的上调［42］。渗透压力也促使了玉米ZmDREB2A启动子区域的组蛋白乙酰化和染色质结构的重塑，从而诱导了该基因的表达［43］。甜菜在盐压力胁迫下，POX的高表达也伴随着编码区的H3K9和H3K27的乙酰化升高［44］。

除了干旱和高盐，极端温度也是造成农作物产量损失的主要的环境胁迫之一。冷适应会促使基因表达的重编程，组蛋白的乙酰化就在这个过程中发挥着主要作用［45］。在玉米的冷适应过程中，可以观察到HDACs的表达上调，H3和H4的整体去乙酰化［46］。除此之外，异染色质的串联重复序列被有选择性地激活，表现在激活区域H3K9ac的增加，DNA甲基化和H3K9me2的降低［47］。高温压力下，玉米的热激转录因子基因ZmHsf-01和ZmHsf-15启动子区域的H3K9ac修饰水平显著升高［48］，H3K9ac和H4K5ac还与侧根发育相关基因HO-1和GSL-1的表达正相关［49］。一些玉米细胞周期因子在遭受非生物压力胁迫时，其转录水平也与H3K9ac或H4K5ac修饰水平密切相关［50］。在水稻中的研究表明，DREB1是寒冷诱导的主要的转录因子。ChIP试验结果显示，在寒冷处理时，OsDREB1的启动子区域以及OsDREB1的上游区域（从转录起始位点开始的600 bp）有H3K9乙酰化的增加。此外，在OsDREB1启动子的不同区域有一些其他组蛋白赖氨酸位点乙酰化的改变。例如，在TATA盒区域有H3K14乙酰化的增加，而更加上游的一个区域出现H3K27的高度乙酰化［51］。因此，DREB1启动子区域组蛋白赖氨酸残基上的高乙酰化很可能是寒冷对这个基因起诱导作用的基础。

3 非生物胁迫下的其他类型组蛋白修饰

除组蛋白赖氨酸上甲基化和乙酰化修饰广泛参与抗逆基因的表达调控外，还有一些残基修饰在植物应对非生物胁迫中也发挥着不可忽视的作用。组蛋白精氨酸甲基化修饰通常由蛋白质精氨酸甲基转移酶（Protein arginine methyltransferases，PRMT）催化，发生在组蛋白H3 的2、8、17和26位及组蛋白H4的3位精氨酸残基上，甲基化类型有一甲基化、对称二甲基化和非对称二甲基化。研究发现，拟南芥组蛋白H4R3sme2作为一个转录沉默标记，由PRMT5催化，抑制基因转录。ChIP分析正常生长条件下的拟南芥，其压力应答因子RD29A、RD29B和HAB1基因区域的H4R3sme2维持高水平。当面对盐胁迫时，基因区域的H4R3sme2水平降低，压力应答因子RD29A、RD29B和HAB1转录增加［52］。

组蛋白磷酸化通常发生在丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸位点上，组蛋白H3的磷酸化进化保守，主要有10位和28位的丝氨酸（H3S10ph和H3S28ph），3位和11位的苏氨酸（H3T3ph和H3T11ph）。植物面对环境压力，如盐胁迫和低温胁迫，组蛋白H3磷酸化也呈现动态变化。利用ChIP-Seq的基因组范围分析结果显示，在PEG处理条件下，MLK1和MLK2激酶诱导重复序列Knob区域的H3T3ph修饰水平的升高，参与了染色质结构变化以应对渗透压力［53］。H3T3ph修饰可能作为一个抑制型组蛋白标记来帮助维持异染色质的浓缩状态。

组蛋白泛素化主要发生在组蛋白H2A和H2B。已有研究表明，组蛋白H2B单泛素化（H2Bub1）在植物应对盐胁迫的过程中起着重要的调控角色。Ma等［54］对水稻的最新研究发现，干旱压力能导致干旱耐受因子OsbZIP46及其靶基因RAB21的H2Bub1修饰水平的升高。H2Bub1通过参与盐胁迫诱导的微管解聚和PTP-MPK3/6信号通路的调控，增强拟南芥盐耐受能力［55］。

4 结语与展望

植物非生物胁迫应答基因的调节与表观遗传改变密切相关，这一全新的认识为植物非生物胁迫反应的研究带来了新的研究方向。在植物应对非生物胁迫时，动态的组蛋白修饰改变以及基因活化与遗传记忆已经成为热点话题。然而，非生物胁迫反应与表观遗传信息，如胁迫反应性组蛋白修饰酶，目标胁迫应答基因及特异的组蛋白修饰位点之间的完整关系网络仍然不清楚。ChIP试验能帮助研究人员确定负责表观遗传调节的组蛋白修饰，但是通过ChIP试验所得到的结果只能提供可能作为修饰靶点的直接或间接残基，在植物表观遗传研究中直接确认组蛋白修饰功能依然是一个挑战。利用最新的CRISPR/Cas9基因编辑系统建立的组蛋白修饰酶的突变体或组蛋白N端氨基酸残基的突变将会很好的促进这些研究。为了满足未来在植物表观遗传学方面密集而准确的分析研究，建立有效的技术是非常必要的。更多的表观遗传调节因子和胁迫反应中的新的表观遗传调节机制被发现，在植物非生物胁迫应答方面的深入研究将会快速发展。