生存策略:人工智能驱动的腋芽冬季休眠时染色质变化的见解

表观遗传学赋予植物生存优势，通过诱导芽休眠来忍受恶劣的天气。环境因素或内在信号触发生长和休眠之间的转变。研究人员探索了染色质和转录变化在芽中的作用，并使用人工智能模型进一步分析数据。本研究的结果强调了表观遗传策略，以克服全球变暖期间短冬季对植物生存的影响。

　　

进化使植物能够在恶劣条件下生存。植物的冬芽是建立适应性的关键结构。根据环境和内在条件，芽可以在生长和休眠之间转换。三个休眠阶段是由触发每个阶段的信号决定的:生态休眠，受环境因素影响;异象现象，由其他植物器官促进;内休眠，由芽内的内部信号维持。在秋天，自然休眠的芽会根据白天长度和/或低温的变化而进入内休眠阶段，而内休眠和生态休眠阶段则会根据寒冷的温度而发生。芽从准休眠到内休眠的过渡是一种保护现象。诱发内休眠的表观遗传机制尚不清楚。

在这项于2024年6月21日发表在《树木生理学》上的新研究中，助理教授Takanori Saito和他的同事探索了“富士”苹果腋芽中染色质结构和转录变化的表观遗传修饰，从而实现了温度识别。通过深度学习人工智能(AI)模型和统计分析进一步解释了结果。本研究由千叶大学园艺研究生院的王珊珊博士、大川胜也博士、大原仁博士和近藤Satoru博士共同撰写。

本研究的目的之一是了解从准休眠到内胚层休眠过渡阶段的不同表达基因(DEGs)。与细胞缺氧反应、ABA防御反应和昼夜节律相关的基因在芽休眠初期被激活。此外，作者还发现核小体耗竭与转录模式无关。Saito博士解释说:“相比之下，在deg中，虽然在假定的启动子中观察到核小体的位置移动，但在大多数基因体中，在腋芽休眠阶段没有观察到上调和下调基因之间核小体占据的差异。”

顺式调控元件(cre)是影响基因表达的短DNA序列。作者使用深度学习人工智能模型进一步研究了转录变化与cre之间的关系。Saito博士详细阐述了这些结果，他说:“发现了与细胞周期、昼夜节律和TATA盒相关的cre。特别是，昼夜节律对下调基因的重要性也伴随着转录变化。”这些数据进一步揭示了COL9信号可能参与改变CO水平以触发芽休眠。

虽然大多数基于人工智能的表观遗传学研究使用的是大型数据集，但他们的模型使用的是小型数据集。尽管如此，贝叶斯统计分析将表观遗传变化与参与冬芽调控的基因转录联系起来。本研究的人工智能方法可以增强表观遗传分析，特别是对于基因组数据库不发达的非模式植物。

Saito博士强调，“我们使用DL进行的研究的集体结果表明，腋芽休眠诱导中以冷驱动的昼夜节律为基础的机制是由单核小体振荡调节的。”

展望未来，这些发现有助于制定更有效的策略，以维持作物、植物和树木的可持续生产，以应对全球变暖的影响。