細(xì)胞命運(yùn) 決定是現(xiàn)代生命科學(xué)和植物學(xué)研究領(lǐng)域中的核心議題之一。植物生長發(fā)育及側(cè)生器官的形成 依賴于位于分生組織中的干細(xì)胞，其中根分生組織干細(xì)胞活性的維持是根系持續(xù)生長與環(huán)境適應(yīng)的關(guān)鍵。PLETHORA(PLT) 蛋白家族是植物特有的轉(zhuǎn)錄因子，主要參與調(diào)控植物胚胎發(fā)育、分生組織活性維持及器官形態(tài)建成過程。然而，PLT蛋白如何精確調(diào)控植物干細(xì)胞命運(yùn)以維持根分生組織穩(wěn)態(tài)的分子機(jī)制仍不清楚。

染色質(zhì)修飾在細(xì)胞分裂與分化過程中對(duì)基因表達(dá)的重編程起著關(guān)鍵調(diào)控作用。Polycomb抑制復(fù)合物2（PRC2）通過催化組蛋白H3第27位賴氨酸的三甲基化（H3K27me3），在細(xì)胞分裂中維持基因抑制狀態(tài)，這對(duì)于建立和維持同一細(xì)胞譜系具有重要作用。相反，攜帶H3K4me3修飾的基因通常處于轉(zhuǎn)錄激活狀態(tài)。值得注意的是，H3K4me3與H3K27me3可共存于同一或相鄰核小體上，形成“雙價(jià)”（bivalent）染色質(zhì)區(qū)域或基因座。在哺乳動(dòng)物中，具有此類雙價(jià)修飾的染色質(zhì)區(qū)域主要存在于胚胎干細(xì)胞中，通常標(biāo)記后續(xù)發(fā)育或細(xì)胞分化階段將被激活的基因。在水稻中，約有8%的基因同時(shí)具備H3K27me3與H3K4me3雙價(jià)修飾，然而這種雙價(jià)修飾在水稻根尖干細(xì)胞命運(yùn)決定中的具體作用機(jī)制不清楚。

近日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、湖北洪山實(shí)驗(yàn)室水稻團(tuán)隊(duì)趙毓教授和周道繡教授課題組 在國際期刊Molecular Plant上在線發(fā)表了題為“

PLETHORA transcription factors

o

rchestrate epigenetic silencing of bivalent chromatin to promote root meristem development in rice

該研究首先發(fā)現(xiàn)水稻PLT3、PLT4及PLT5在根尖干細(xì)胞區(qū)域特呈現(xiàn)特異性表達(dá)。通過遺傳分析進(jìn)一步探究其功能，結(jié)果顯示，plt3、plt4或plt5單突變體的水稻根未出現(xiàn)明顯發(fā)育缺陷；然而，雙突變體plt3plt4的根顯著縮短，三突變體plt3plt4plt5的根生長抑制更為嚴(yán)重，這表明PLT家族成員在水稻根發(fā)育過程中存在功能冗余與協(xié)同作用。

轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析表明，plt3plt4plt5三突變體中大量基因表達(dá)上調(diào)，且受PLT抑制的基因座較對(duì)照組呈現(xiàn)更高的H3K27me3修飾水平。為了深入探究其分子機(jī)制，質(zhì)譜分析及體內(nèi)外互作實(shí)驗(yàn)證實(shí)，PLT蛋白能夠與PRC2復(fù)合物相互作用。CUT&Tag分析則進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在plt3plt4plt5三突變體中，PLT5富集的H3K27me3位點(diǎn)的修飾水平顯著降低，同時(shí)PRC2核心組分EMF2b的結(jié)合水平也下降。這一結(jié)果表明，PLT5通過招募EMF2b，在根尖分生組織中發(fā)揮維持H3K27me3介導(dǎo)的基因沉默功能。有意思的是，在plt3plt4plt5中上調(diào)表達(dá)的基因座上，還同時(shí)富集了H3K4me3修飾，且全基因組水平上該修飾顯著上升。鑒于H3K4me3與H3K27me3可共存于同一或相鄰核小體上，形成二價(jià)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，由此推測(cè)，PLT可能通過調(diào)控二價(jià)結(jié)構(gòu)域中H3K27me3/H3K4me3比例來實(shí)現(xiàn)基因表達(dá)抑制。為驗(yàn)證這一假設(shè)，全基因組范圍PLT5結(jié)合位點(diǎn)分析發(fā)現(xiàn)，有超過50%的具有H3K27me3和H3K4me3二價(jià)修飾的基因被PLT5結(jié)合。 Sequential ChIP-PCR聯(lián)合RT-PCR實(shí)驗(yàn)直接證明了PLT能夠結(jié)合并維持部分二價(jià)修飾基因的沉默狀態(tài)。在蛋白水平，體內(nèi)體外的生化實(shí)驗(yàn)證實(shí)PLT5、PRC2都可以與組蛋白上去除H3K4me3修飾的酶JMJ703相互作用，這進(jìn)一步表明了PLT-PRC2-JMJ703形成功能復(fù)合體，通過改變PLT結(jié)合的靶 基因上的H3K27me3/H3K4me3修飾水平來調(diào)控水稻根尖相關(guān)基因的表達(dá)。

植物干細(xì)胞作為器官發(fā)生與生長發(fā)育的源頭，其自我更新能力以及分化潛能直，在作物株型塑造、抗逆性提升及產(chǎn)量形成等方面均起著決定性作用，是作物設(shè)計(jì)育種過程中亟待突破的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本研究聚焦此問題展開探索，揭示了水稻PLT轉(zhuǎn)錄因子能夠招募組蛋白修飾酶PRC2與JMJ703，在根尖干細(xì)胞區(qū)域，對(duì)細(xì)胞分化相關(guān)基因上H3K27me3/H3K4me3二價(jià)修飾的比例進(jìn)行精細(xì)調(diào)控的機(jī)制。通過這種調(diào)控方式維持了此類基因的沉默狀態(tài)，從而保障根尖分生組織（即干細(xì)胞）的活性穩(wěn)定。這一機(jī)制對(duì)理解生物中普遍存在的細(xì)胞命運(yùn)可塑性以及環(huán)境適應(yīng)性具有一定的啟示意義，更為未來開展提升作物抗逆性與產(chǎn)量的設(shè)計(jì)育種研究奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、湖北省洪山實(shí)驗(yàn)室已畢業(yè)的李琦博士（現(xiàn)中科院生物物理研究所博士后）和李俊杰博士（現(xiàn)福建農(nóng)林大學(xué)副教授）為本研究的共同第一作者，趙毓教授和周道繡教授為共同通訊作者。武漢大學(xué)楊紅春教授提供了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)材料，福建農(nóng)林大學(xué)吳建國教授在文章審修中給予了巨大幫助，唐昕恬碩士、在讀博士研究生褚晨和王靜參與了部分研究工作。本研究得到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目等資助。

https://doi.org/10.1016/j.molp.2025.11.012