Plant Com |华中农大张献龙教授团队揭示H3K27me3修饰调控高温下棉花雄性不育新机制

近日，华中农业大学张献龙教授团队在Plant Communications发表了题为“Histone H3 lysine 27 trimethylation suppresses jasmonate biosynthesis and signaling to affect male fertility under high temperature in cotton”的研究论文，该研究阐明了H3K27me3组蛋白修饰对于高温胁迫下棉花雄性育性的调控作用，为后续培育出抗高温种质提供了理论基础。

https://doi.org/10.1016/j.xplc.2023.100660

全球变暖引起的极端高温胁迫，对作物的生长发育有严重的负面影响，也是导致作物产量下降的重要因素。棉花作为重要的经济作物和战略物资，其主要种植在夏季，因此常会遭遇高温胁迫而造成减产。而造成减产的主要原因是高温胁迫引起棉花雄性不育，因此深入研究高温引起雄性不育机理对耐高温育种至关重要。

前期该团队发现组蛋白修饰相关基因的表达在棉花花药中会受高温胁迫诱导变化（Min et al., 2014 Plant Physiology），暗示组蛋白修饰可能参与高温下棉花雄性育性调控，但是组蛋白修饰是否真正参与，以及如何参与调控高温下的棉花雄性育性尚未可知。

为深入探究高温胁迫下组蛋白修饰变化与雄性育性之间的关系，研究者使用两个在高温下存在育性差异的材料：“84021” （耐高温）和“H05 ”(敏高温)，分别在正常条件和高温胁迫条件下，构建了绒毡层降解时期和花药开裂期两个对高温敏感的花药发育时期的H3K4me3和H3K27me3两种组蛋白修饰图谱。分析发现H3K4me3和H3K27me3两种组蛋白修饰都会响应高温胁迫而发生变化，其中在高温条件下H3K4me3在“84021“和”H05“两个材料中的变化一致，而H3K27me3修饰在高温下的变化在两个材料中却出现分化：”84021“中修饰下降，”H05“中修饰上升，尤其是在花药开裂期 （图 1）。意味着H3K27me3修饰比H3K4me3修饰在调控高温雄性不育过程中发挥更重要的作用。同时在棉花花药中鉴定到大量的H3K4me3-H3K27me3二价修饰，并发现H3K4me3-H3K27me3二价修饰中主要由H3K27me3修饰起主导作用，而且H3K4me3-H3K27me3二价修饰相比于单价H3K27me3，H3K4me3修饰对高温的响应更加剧烈，这不仅说明H3K4me3-H3K27me3共价修饰在高温响应方面可能起独到的作用，也进一步说明H3K27me3修饰在调控高温雄性不育过程的重要作用。

图1. 高温下棉花花药中H3K4me3和H3K27me3修饰的全基因组图谱

后续分析发现高温下茉莉酸相关通路基因的H3K27me3修饰变化在“84021“和”H05“中出现明显差异，造成高温下茉莉酸相关基因的表达变化在两个材料中出现分化：高温下”84021”中茉莉酸通路相关基因H3K27me3修饰下降，表达上调; “H05”中茉莉酸通路基因H3K27me3修饰上升，表达处于较低水平，导致高温下“84021“中茉莉酸含量处于稳定状态，而”H05“中茉莉酸含量显著下降，引起雄性不育。对敏高温材料”H05“外施茉莉酸甲酯可以有效提高”H05”的高温育性（图 2）。进一步对高温下拥有显著H3K27me3修饰变化的茉莉酸合成基因GhAOS, GhAOC2进行突变后，都出现明显雄性不育表型。进一步对敏高温材料“H05”在高温下外施H3K27me3抑制剂，可以有效提高茉莉酸合成相关基因的表达，从而保持”H05“中高温下茉莉酸含量稳态，提高高温下雄性育性。说明高温下H3K27me3是通过控制茉莉酸通路基因的表达来调控雄性育性的。

图2. 高温下H3K27me3通过影响JA含量调控棉花雄性育性

该研究为高温胁迫下组蛋白修饰对雄性育性的调控提供了新的见解，丰富了棉花雄性器官响应高温的理论机制，并提出了提高棉花高温耐性的潜在策略 （图 3）。

 图 3. H3K27me3通过介导茉莉酸平衡调控棉花雄性耐热性

华中农业大学博士后李焱龙为论文第一作者，作物遗传改良全国重点实验室和湖北洪山实验室张献龙教授和闵玲教授为论文共同通讯作者，朱龙付教授，王茂军教授和博士后马益赞参与了研究设计和文章修改。该研究得到了湖北洪山实验室产业链重大项目（2022hszd004），中国农业农村部棉花产业体系（CARS-15-04），国家重点研发计划（2022YFF1003502）、国家自然科学基金面上项目(32072024)等项目的资助。

本文转载自Mol Plant植物科学

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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