New Phytologist | 上海交通大学方玉达研究团队揭示组蛋白变体H2A.Z精细调控生长素信号的分子机制

生长素是调控植物生长发育的一种重要植物激素。在拟南芥中，吲哚-3-乙酸（IAA）是具有生物活性的生长素主要形式，能够与TIR1/AFB受体结合触发26S蛋白酶体降解Aux/IAAs抑制子，释放ARFs转录因子进一步调控下游生长素响应基因表达。SMALL AUXIN-UP RNAs (SAURs)是一类受到ARFs转录因子调控的生长素响应基因，该家族基因在染色体上成簇排列，单个基因序列通常较短（200-500 bp），在拟南芥中有79个成员。已有研究表明SAURs在植物生长发育和细胞伸长等方面发挥作用，例如SAUR15参与植物侧根形成过程，SAUR19-24参与植物下胚轴伸长和向性生长。

生长素调节植物发育的过程受到表观遗传的影响。H2A.Z是核心组蛋白H2A的一种保守的变体，其在染色质上与H2A的替换可以调控染色质的状态和基因转录，进而影响了植物对诸多外界刺激的响应。在拟南芥中H2A.Z由HTA8, HTA9以及HTA11编码。有证据表明，H2A.Z及其分子伴侣对于植物生长素的合成、转运中发挥重要作用，但H2A.Z对生长素信号下游响应基因的调控以及与生长素相关的植物生长发育过程(例如侧根发育和向性生长)的调节机制还不清楚。同时，相较于H2A.Z的加载或去加载机制，目前对于H2A.Z的转录调控也缺乏进一步的解析。

2022年8月26日，上海交通大学农业与生物学院方玉达教授课题组在New Phytologist上发表了题为“Feedback regulation of auxin signaling through the transcription of H2A.Z and deposition of H2A.Z to SMALL AUXIN UP RNAs in Arabidopsis”的研究论文，揭示了组蛋白变体H2A.Z在加载和转录两个层面精细调控生长素信号的分子机制。

为了研究H2A.Z的生物学功能，作者构建了HTA8/11完全敲除，HTA9敲低的纯和三突变体hta8 hta9-1 hta11-2 (h2a.z-kd)以及HTA9过表达的转基因植物材料HTA9-OE3。作者进行表型观察发现，h2a.z-kd突变体和HTA9-OE3植物材料整体植株矮小。作者暗培养植物4天后旋转方向进行重力响应实验，发现h2a.z-kd突变体和HTA9-OE3植物材料下胚轴的倾斜角度相比野生型较小。与野生型相比h2a.z-kd突变体侧根数量显著增加，HTA9-OE3材料显著减少，而生长素处理后3种植物材料侧根数量基本一致。这暗示着H2A.Z参与调控植物生长素响应过程（图1）。

为了进一步探究H2A.Z调控了哪些生长素响应基因，作者进行了RNA-seq分析，结果表明在h2a.z-kd突变体中生长素信号途径相关的很多基因转录水平显著提高。作者进行qRT-PCR确定了与拟南芥侧根发育有关的SAUR15以及SAUR19-24转录水平均显著上调。以上结果说明，H2A.Z能够抑制SAURs的转录（图2）。那么H2A.Z如何调控SAURs的转录呢？作者构建了HTA9-3×FLAG/hta9-1回补材料进行ChIP-qPCRs分析，结果表明IAA处理后H2A.Z显著地从SAUR19-24基因上去加载。当使用IAA处理Col-0和h2a.z-kd突变体后，Col-0中SAURs转录水平显著上调了，而h2a.z-kd突变体SAURs转录水平上调明显。以上结果说明，外源施加IAA可促进H2A.Z在SAURs基因上的去加载而激活其转录（图2）。

在植物体中被激活的信号途径往往受到某种分子机制的限制以防止被过度激活。那么H2A.Z自身的转录水平是否受到生长素的调节呢？作者使用IAA处理Col-0后发现HAT8, HTA9以及HTA11转录水平均显著提到，HTA9启动子驱动的GUS报告基因也上调表达。以上结果说明，外源施加IAA能够促进H2A.Z的转录。作者通过酵母单杂交筛库筛选得到了一些可结合HTA9启动子的转录因子，其中包括转录因子HOMEOBO XPROTEIN 25 （HB25），已有研究表明HB25参与多种植物激素的响应途径。作者在本研究中利用酵母单杂交技术、体外EMSA实验以及在烟草叶片进行体内的荧光素酶响应实验均证明HB25能够直接结合到HTA9启动子上，激活其转录（图3）。HB22是HB25的同源蛋白，作者进行酵母单杂交发现HB22也能够直接结合到HTA9启动子上。作者构建了hb22 hb25双突变体，发现其与h2a.z-kd突变体类似，均表现出根向重力反应异常和侧根增多的表型。因此，HB22和HB25功能冗余地激活H2A.Z的转录。作者进一步确定了转录因子HB22/HB25，二者可作为生长素信号核心转录因子ARF7/ARF19的直接下游。

总之，作者通过系统的实验证明了ARF7/19--HB22/25--H2A.Z模块拮抗了H2A.Z去加载对SAURs的激活，防止了信号的过度放大，从而精密调控了拟南芥的生长素信号。该研究首次构建了Col-0野生型背景下的可育h2a.z-kd纯和三突变体，同时首次揭示了H2A.Z的转录调控机制，为植物生长素信号的表观调控及组蛋白变体的转录调节提供了新的见解（图4）。

ACKNOWLEDGMENTS

上海交通大学农业与生物学院博士后孙爱清为论文第一作者，方玉达教授为通讯作者。课题组已毕业周瑛博士、在读学生尹春梅、马敏和郑晓云以及农业与生物学院涂晓雨副教授参与了研究工作。该研究得到了国家自然科学基金、青年科学基金的资助。

原文链接：

https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.18440

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转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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