自20世纪60年代以来，以半矮杆育种为标志的“绿色革命”在全世界范围内大幅度地提高了主要粮食作物的产量。矮杆作物以其抗倒伏和收获指数高等优势，极大地增加了粮食产量。生长抑制因子DELLA蛋白的稳定性在谷物作物半矮化机制中起重要作用，DELLA蛋白是赤霉素（Gibberellic acid, GA）信号途径中的核心负调控因子，可以抑制赤霉素途径的基因表达从而抑制植物生长。赤霉素作为“绿色革命”激素，通过泛素-蛋白酶体系统来解除DELLA的抑制作用，进而促进植物细胞分裂和伸长、下胚轴和茎秆伸长等过程。然而，DELLA抑制赤霉素途径基因表达的分子机制仍不清楚。
多梳蛋白复合物(PRC2)是一类在动植物中高度保守的染色质修饰因子，通过在靶基因位点建立和维持组蛋白H3第27位赖氨酸三甲基化(H3K27me3)抑制基因表达。组蛋白乙酰化是基因活跃表达的标志，由组蛋白乙酰转移酶（HAT）和去乙酰化酶（HDAC）动态调控。PRC2和HDAC这两类染色质修饰因子都对基因表达起抑制作用，并且它们在植物生长发育和对环境适应性应答中都发挥着重要的作用，但二者是否参与赤霉素信号途径以及其中的分子机制不清楚。
9月11日，华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室、湖北洪山实验室水稻团队周道绣教授和赵毓教授课题组在国际期刊EMBO Journal在线发表了题为“DELLA-mediated gene repression is maintained by chromatin modification in rice”的研究论文，揭示了水稻DELLA蛋白抑制基因表达的表观调控新机制。
该研究通过免疫沉淀偶联质谱(IP-MS)等技术发现水稻DELLA蛋白SLR1(Slender rice 1)与多梳抑制复合物PRC2和组蛋白去乙酰化酶HDA702等多个染色质修饰因子互作。研究进一步证实了SLR1与PRC2核心组分EMF2b (Embryonic Flower Gene)和 FIE2 (Fertilization-Independent Endosperm Gene)等在水稻细胞内形成蛋白复合体。水稻SLR1基因的突变导致细胞内组蛋白H3K27me3甲基化修饰水平显著下降。染色质免疫共沉淀技术(ChIP-seq)和转录组测定分析发现，受SLR1抑制的基因上的H3K27me3修饰偏高而H3K9乙酰化（H3K9ac）水平偏低，SLR1突变后导致这些基因上H3K27me3大量丢失，H3K9ac水平上升。研究发现，SLR1与去组蛋白乙酰化酶HDA702互作，而HDA702被证明具有去除H3K9ac的能力。通过染色质免疫共沉淀联合定量PCR技术(ChIP-qPCR)，进一步证实SLR1介导的基因抑制需要PRC2与HDA702共同参与。以上结果表明，DELLA作为赤霉素信号途径的核心负调控因子，在抑制基因表达时需要多梳蛋白PRC2和去乙酰酶HDA702协同参与。为了验证这两种组蛋白修饰因子是否参与水稻赤霉素信号响应，团队利用蛋白质免疫印迹实验和ChIP-qPCR检测了赤霉素处理后不同时间点的全基因组范围内和部分赤霉素响应基因上的H3K27me3和H3K9ac变化情况，发现在赤霉素诱导基因激活过程中，H3K9ac逐步上升而H3K27me3逐渐下降，且H3K9ac是在H3K27me3被移除之前建立的。进一步研究发现，PRC2与HDA702也存在较强的相互作用，说明DELLA-PRC2-HDA702可能形成三元复合物来响应水稻中的赤霉素信号途径。然而赤霉素处理并不影响PRC2和HDA702的蛋白稳定性，这些结果表明，在水稻体内赤霉素降解DELLA使得DELLA-PRC2-HDA702三元复合体被破坏，PRC2和HDA702分别从赤霉素响应基因上解离从而促进这些基因的快速表达。
图. 水稻DELLA蛋白抑制基因表达的表观调控机制
综上所述，本研究系统解析了DELLA抑制基因表达以及赤霉素快速激活基因转录的染色质修饰基础，揭示了水稻赤霉素信号传递中的表观调控新机制。
华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室、湖北洪山实验室周道绣教授和赵毓教授为该论文共同通讯作者，生命科学技术学院博士研究生李俊杰为第一作者。熊立仲教授对该研究提供了指导和帮助。博士后王文韬，博士研究生李琦、张昕冉、褚晨和朱波以及硕士研究生唐昕恬参与了该研究工作。Makoto Matsuoka教授、傅向东教授、李立家教授和张云辉老师提供了宝贵的实验材料。该研究得到国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费等项目的资助。
英文摘要：
DELLA proteins are master regulators of the gibberellic acid (GA) signaling pathway through effects on gene expression. Enhanced DELLA accumulation in rice and wheat varieties has greatly contributed to grain yield increases during the green revolution. However, the molecular basis of DELLA-mediated gene repression remains elusive. In this work, we show that the rice DELLA protein SLENDER RICE1 (SLR1) formed a tripartite complex with Polycomb-repressive complex2 (PRC2) and the histone deacetylase HDA702 to repress downstream genes by establishing a silent chromatin state. The slr1 mutation and GA signaling resulted in dissociation of PRC2 and HDA702 from GA-inducible genes. Loss-of-function or downregulation of the chromatin regulators impaired SLR1-dependent histone modifications and gene repression. Analysis of GA signaling time course revealed that GA-induced transcriptional activation was associated with a rapid increase of H3K9ac followed by H3K27me3 removal. Collectively, these results established a general epigenetic mechanism of DELLA-mediated gene repression and provided insight into the chromatin dynamics during transcriptional activation stimulated by GA signaling.
原文链接：https://www.embopress.org/doi/full/10.15252/embj.2023114220
