Genome Biology | 解析热胁迫诱导的拟南芥转录记忆的基因组和表观基因组的分子决定因素

转录调控是环境应激反应的一个关键方面。热胁迫诱导转录记忆，即持续诱导或增强转录再诱导，从而使植物对反复发生的高温胁迫作出更有效的反应。由于气候变化导致极端温度事件更加频繁，提高作物的耐热性是一个重要的育种目标。然而，并不是所有的热应激诱导基因都表现出转录记忆，记忆与非记忆基因的区别也不清楚。为了解决这一问题并了解热应激后转录记忆的基因组和表观基因组结构，《Genome Biology》在线发表了题为“Genomic and epigenomic determinants of heat stress-induced transcriptional memory in Arabidopsis”的研究论文，作者利用时间序列ChIP-seq技术鉴定了两个关键记忆热休克转录因子HSFA2和HSFA3的全局靶基因。

植物可以通过暴露于适度的压力以更好地抵御反复发生的压力事件。这已经在生物和非生物应激源中得到证实，包括热应激(HS)。提高作物抵御临界胁迫的能力可以提高作物的抗逆性，并在气候变化时期确保产量。在分子水平上，HS的启动与两种类型的转录记忆相关: (1)持续诱导HS诱导的基因表达，持续时间比启动HS长数天(I型)和(2)复发HS后增强的转录再诱导(II型)。

转录记忆的分子基础在很大程度上是未知的。植物在干旱、盐和病原体相关胁迫暴露后也存在转录记忆。它同时也发生在发育背景下，如基因表达的表观遗传沉默，这可以通过内源性或环境线索介导。HS后持续诱导(I型)记忆需要HSFA2和HSFA3两种热休克转录因子(HSF)转录因子。HSF家族在多个物种中高度保守，普遍促进对高温的转录反应，在拟南芥中，HSF家族有21个成员，其中8个与HS反应有关。

为了确定HSFA2/HSFA3靶基因的全基因组集，并确定记忆和非记忆基因之间的区别特征，作者对HSFA2和HSFA3进行了时间序列ChIP-seq。作者分析了靶基因的表达和染色质组织，并将其与体外结合数据进行了比较，发现HSFA2和HSFA3表现出几乎相同的结合模式。体外和体内结合强度高度相关，说明这种结合在很大程度上是由DNA序列决定的，观察到的结合谱表明，启动子DNA序列是结合强度的重要决定因素。特别是，具有转录记忆的基因对热休克元件具有强烈的富集，并且具有以下几个特征：在没有热应激的情况下低表达水平，可接近的染色质环境，以及热应激诱导的H3K4me3甲基化具有强烈的富集。这些结果证实了正交转录组数据集使用从头聚类和记忆基因的既定定义。

综上，该研究结果揭示了植物响应环境胁迫时转录记忆的分子决定因素。特别是，作者提供了HSF依赖性转录记忆及其序列和染色质决定因素的综合视图。这些发现将有助于转录记忆基因的预测和工程设计，从而为提高作物的抗逆性提供新的靶点。第二，我们提供了一个全球框架，说明环境介导的HSF转录激活如何通过转录因子依赖性组蛋白修饰延长到外部提示持续时间之外，从而介导表型可塑性。除了HSF，该工作还揭示了染色质如何长时间存储环境信息的基本问题。

原文链接：

https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-023-02970-5

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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