研究揭示春化作用促进开花的表观遗传调控机制

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春化作用是植物必须经历一段时间的持续低温才能由营养生长阶段转入生殖生长阶段的一种表观遗传现象,是植物适应温度的季节性波动进化出来的一种机制,以确保在适当的时期开花。春化作用是影响植物物候期和地理分布的重要因素,对于牧草及作物生产具有非常重要的作用。DNA甲基化是一个重要的表观遗传标记,参与植物生长发育、逆境响应等生物学过程。然而,禾本科植物春化过程中DNA甲基化动态变化及其靶基因的调控机理仍知之甚少。

近日,四川农业大学草业科技学院张新全教授团队在植物学权威期刊Plant Physiology在线发表研究论文,首次揭示了冷季型优质禾本科牧草鸭茅春化过程中的DNA甲基化动态变化规律,以及DNA甲基化调控基因表达促进开花的表观遗传机制。

该研究对不同春化阶段的2006-1鸭茅进行比较,发现春化早期鸭茅基因组DNA甲基化水平上升与DNA甲基转移酶和DNA去甲基化酶的转录水平动态变化有关。进一步分析发现,春化途径相关基因(VIN3、SWM、VRN1(AP1)、VRT2、AGL20)表达水平与其启动子区域CHH甲基化水平呈正相关关系。在鸭茅春化过程中外源喷施DNA甲基化促进剂,能够显著激活春化途径相关基因表达,从而促进鸭茅开花。研究人员进一步对RNA介导的DNA甲基化途径相关基因DgPAPS4进行拟南芥过表达试验,结果表明DgPAPS4能够通过提高DNA甲基化水平从而激活AtAGL20的表达,导致植株早花表型,进一步证实了DNA超甲基化在春化促进开花中的调控作用。

图片来源:四川农业大学草业科技学院

综上所述,该研究解析了鸭茅在春化过程中DNA甲基化动态变化规律,揭示了春化诱导DNA超甲基化在花原基萌发和发育中的关键作用。研究结果将为鸭茅等冷季型牧草及作物栽培驯化、品种改良以及花期调控提供重要的理论基础。

四川农业大学张新全教授和黄琳凯教授为该论文的共同通讯作者,博士生杨忠富为该论文的第一作者,四川农业大学毕业生、美国乔治亚大学博士后严海东为共同第一作者。美国佛罗里达大学王建平教授和四川农业大学聂刚副教授、冯光燕博士等参与此项工作。该研究得到国家自然科学基金、国家科技基础资源调查专项和国家牧草产业技术体系等项目资助。r

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