撰文 | LJ
責編 | 王一
春化作用 (vernalization) 是指一些植物（如：擬南芥、油菜、冬小麥）需要通過冬季的低溫階段實現從營養生長到生殖生長的時期轉化。FLOWERING LOCUS C (FLC) 參與調控擬南芥春化作用，在秋季抑制植物開花，但其編碼基因的表達在冬季受春化作用的表觀遺傳抑制【1】。春化導致FLC染色質上啟用型組蛋白的修飾 (H3K4me3, H3K36me3) 被去除, 而抑制型組蛋白的修飾 (H3K9me3, H3K27me3) 卻積累【2】。因此，表觀遺傳修飾在春化過程中的調控確保了來年春天 FLC 的穩定沉默【3】。春化還可以誘導編碼含有PHD結構域的VERNALISATION INSENSITIVE 3 (VIN3) ，其轉錄水平會隨春化時間而增加，在氣溫回升後迅速下降。此外，VIN3還能識別H3K9me3【2】。雖然VIN3的功能很明確，但是VIN3的表達是如何透過春化作用引發的目前仍不清楚。
近日，首爾大學Ilha Lee課題組在The Plant Cell雜誌發表了題為The two clock proteins CCA1 and LHY activate VIN3 transcription during vernalization through the vernalization-responsive cis-element的研究論文，揭示了 CCA1/LHY 識別順式元件VREVIN3中的EE啟用VIN3的上調進而響應春化。
為了揭示VIN3 啟動子對春化作用的響應機制，研究人員首先將含有不同長度的VIN3啟動子、 UTR、第一個內含子以及GUS報告基因的載體（pVIN3_U_I:GUS）轉入到FRI Col株系中。GUS染色結果表明，含有5’UTR，首個內含子以及約0.2 kb的VIN3啟動子片段足以使春化誘導的VIN3表達。此外，與另外兩個近緣擬南芥的VIN3同源基因比對之後發現，轉錄起始位點上游大約100 bp 的區域和起始密碼子附近的區域具有高度相似性，表明春化響應順式元件可能存在於這些保守區域（圖1）。進一步的分析表明，VIN3的 5' UTR和第一個內含子並沒有春化響應順式元件，但表現出獨立於春化作用的增強子活性。然而，研究人員在0.2 kb的VIN3啟動子中發現了春化響應順式元件（ G-box和EE）。分析發現，G-box和EE的雙突變對植物響應春化造成的缺陷比單一突變更明顯，說明春化響應順式元件中的G-box和EE具有協同作用，將其命名為VREVIN3。
圖1. VIN3啟動子響應春化反應
VIN3的表達已被證明受生物鐘調控【4】，因此作者猜測生物鐘蛋白CIRCADIAN CLOCK ASSOCIATED 1 (CCA1) 及其同源物 LATE ELONGATED HYPOCOTYL (LHY)可能會識別VREVIN3中的EE，進而在春化過程中啟用 VIN3 轉錄。凝膠遷移、酵母單雜交以及ChIP-PCR結果都表明，CCA1透過EE直接結合於VIN3 啟動子上的VREVIN3。 接著，研究人員探究了CCA1和LHY在4℃春化條件下的晝夜節律變化。與未經春化的植株相比，春化處理的CCA1和LHY的轉錄水平以及蛋白丰度的晝夜節律振幅都有所減弱。此外，CCA1的蛋白丰度在在黃昏時增加，與 VIN3 轉錄在晝夜節律中高峰一致。值得注意的是，CCA1和LHY的蛋白丰度在春化後出現約4-8小時的延遲，此外，在春化處理40天后仍可檢測到CCA1。
對FRI cca1、FRI lhy以及FRI cca1 lhy單雙突變體分析發現，CCA1和LHY在4ºC春化的早期誘導VIN3方面存在著功能冗餘。FRI cca1 lhy雙突變體在4ºC低溫條件下誘導VIN3的能力以及加速開花的能力都受損，尤其在輕度低溫（12ºC）件下，這種影響更明顯。考慮到冬季溫度的波動性，研究人員認為CCA1和LHY可能是初冬時期的春化響應因子，推測CCA1/ LHY會和其他結合在EE的上的因子共同調控整個春化過程中的VIN3轉錄。此外，當低溫春化時間延長至20-40天后，FRI cca1 lhy雙突變體在FLC水平以及開花時間與野生型對照相比極其相似，說明其他CCA1/LHY同源基因可能在長時間冷處理下響應春化反應。
綜上所述，該研究發現生物鐘蛋白CCA1 和LHY的晝夜節律受低溫處理有所改變，此外，透過識別順式元件VREVIN3中的EE誘導VIN3的上調從而響應初冬時期的春化。
參考文獻
[1] Michaels SD, Amasino RM. 1999. FLOWERING LOCUS C encodes a novel MADS domain protein that acts as a repressor of flowering. Plant Cell 11: 949-956. doi:10.1105/tpc.11.5.949
[2] Sung S, Amasino RM. 2004. Vernalization in Arabidopsis thaliana is mediated by the PHD finger protein VIN3. Nature 427: 159-164. doi: 10.1038/nature02195
[3] Yang H, Berry S, Olsson TSG, Hartley M, Howard M, Dean C. 2017. Distinct phases of Polycomb silencing to hold epigenetic memory of cold in Arabidopsis. Science 357: 1142-1145. doi: 10.1126/science.aan1121
[4] Hepworth J, Antoniou-Kourounioti RL, Bloomer RH, Selga C, Berggren K, Cox D, Collier Harris BR, Irwin JA, Holm S, Sall T, Howard M, Dean C. 2018. Absence of warmth permits epigenetic memory of winter in Arabidopsis. Nat Commun 9: 639. doi:10.1038/s41467-018-03065-7
原文連結：
https://academic.oup.com/plcell/advance-article-abstract/doi/10.1093/plcell/koab304/6472367
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