VRN2-PRC2：调控拟南芥生长的 “分子开关”，连接缺氧与生长发育的关键纽带

《Developmental Cell》：VRN2-PRC2 facilitates light-triggered repression of PIF signaling to coordinate growth in Arabidopsis

本文聚焦拟南芥，发现 VERNALIZATION2（VRN2） - 多梳抑制复合物 2（PRC2）通过促进组蛋白 H3 赖氨酸 27 三甲基化（H3K27me3）沉积，抑制 PIF4 信号通路来调控植物生长，为研究植物生长的表观遗传调控机制提供了新视角。

　　### 研究背景
在真核生物中，染色质结构变化对基因表达调控至关重要。组蛋白 H3 赖氨酸 27 三甲基化（H3K27me3）作为一种重要的抑制性修饰，由多梳抑制复合物 2（PRC2）催化沉积，可稳定地抑制基因表达，且其修饰状态能在细胞分裂中传递 。在拟南芥（Arabidopsis thaliana）中，PRC2 存在多种类型，其中 VRN2 - PRC2 参与调控春化作用、开花时间、种子发育等多个过程，但许多调控机制仍不明确。

VRN2 蛋白稳定性受 PROTEOLYSIS6（PRT6） N - 降解途径调控，该途径与植物缺氧应激反应、一氧化氮（NO）信号传导相关。VRN2 在缺氧区域如茎尖分生组织（SAM）、根尖分生组织（RM）和侧根原基（LRP）相对富集 。光作为重要环境信号，通过一系列受体感知不同波长的光，进而调控植物生长发育。其中，光敏色素 A（phyA）和 phyB 可分别通过降解光形态建成因子（PIF）转录因子，将远红光（FR）和红光信号转化为转录变化。然而，除了 phy - 介导的 PIF 降解，还存在其他信号参与调控 PIF 信号通路，且 phy/PIF 信号通路受 DNA 和染色质相关的表观遗传调控 。

研究目的

探究 VRN2 在植物发育调控中的更广泛作用，明确其是否通过影响染色质状态调控基因表达，进而参与植物生长发育过程。

实验材料与方法

1. 植物材料：选用野生型（WT，Col - 0）拟南芥及 vrn2 - 5、prt6 - 1、pif4 - 2、vil1 - 1 等突变体植株，构建多种转基因植株，如表达 VRN2 - GUS、VRN2 - YFP、pSAUR19::GUS 的植株等。
2. 实验方法
   • 表型分析：测量植株莲座叶面积、鲜重、下胚轴长度，观察叶片细胞大小和数量，评估不同突变体和转基因植株的生长表型。
   • 基因表达分析：运用 RNA 测序（RNA - seq）、实时定量 PCR（RT - qPCR）技术，检测相关基因的表达水平变化。
   • 蛋白质分析：通过蛋白质免疫印迹（Western blotting）、免疫共沉淀（Co - immunoprecipitation）实验，分析蛋白质的表达、稳定性及相互作用。
   • 染色质分析：采用染色质免疫沉淀测序（ChIP - seq）、染色质免疫沉淀 PCR（ChIP - PCR）技术，确定 VRN2 结合位点和 H3K27me3 修饰水平。
   • 显微镜观察：利用组织化学染色、共聚焦显微镜观察蛋白定位和基因表达的时空模式。
   
   

实验结果

1. VRN2 抑制叶片生长：在 WT 拟南芥莲座叶中，VRN2 - GUS 融合蛋白在 SAM 和新生叶原基中富集，与缺氧报告基因 pHRPEx5::GUS 的表达模式相似。vrn2 - 5 和 prt6 - 1 vrn2 - 5 突变体莲座叶大于 WT，是由于叶片细胞增大。表达 VRN2 - YFP 的转基因植株可使叶片大小和鲜重恢复至 WT 水平，表明 VRN2 - YFP 功能正常。
2. vrn2 突变体中生长促进基因的上调：RNA - seq 分析发现，与 WT 相比，vrn2 - 5 突变体在幼苗和莲座叶阶段有多个基因上调，这些基因富集在 “生长素响应”“红光或远红光响应”“避荫反应” 和 “生长” 等功能类别。在不同光条件下，vrn2 - 5 突变体幼苗下胚轴在白光、红光和蓝光下伸长，但在 FR 光下略有缩短，且其叶片表皮细胞面积增大，说明 VRN2 可能在 phyB 和隐花色素信号通路下游发挥作用。
3. VRN2 对 SAURs 的时空和光触发抑制作用：SAURs 是促进细胞扩张的植物特异性蛋白，在 vrn2 - 5 上调的差异表达基因（DEGs）中占比大。研究发现，pSAUR19::GUS 在黑暗中生长的幼苗中表达无差异，但在光照下生长的幼苗和莲座叶中，vrn2 - 5 和 prt6 - 1 vrn2 - 5 中的 GUS 水平显著高于 WT 和 prt6 - 1。RT - qPCR 分析显示，SAUR19 和 SAUR24 在光下的表达水平在 vrn2 - 5 中更高，且 pSAUR19::GUS 在 vrn2 - 5 中的异位表达在幼苗发育阶段开始出现，表明 VRN2 是光触发和时空抑制 SAURs 所必需的。
4. VRN2 - PRC2 模块对 PIF4 的上位性作用：将 vrn2 - 5 上调的 DEGs 与已发表的 PIF 染色质免疫沉淀（ChIP）数据集对比，发现 71%（32/45）是 PIF4 的直接结合靶点。pif4 - 2 vrn2 - 5 双突变体消除了 vrn2 - 5 的大叶片、伸长下胚轴和 SAUR19 高表达表型，类似 pif4 - 2 单突变体。RNA - seq 分析表明，pif4 - 2 vrn2 - 5 中多数 vrn2 - 5 上调的 DEGs（尤其是 32 个直接 PIF4 结合靶点）表达下调 。此外，PIF4 mRNA 和蛋白水平在 vrn2 - 5 与 WT 中无差异，且 VRN2 - YFP 与 PIF4、phyB 无相互作用，说明 VRN2 - PRC2 不与 PIF4 或 phyB 形成同一复合物，而是共靶向 PIF4 的部分或全部靶基因。同时，研究发现 VRN2 和 VIL1 在调控 SAUR19 表达上存在上位性效应，二者可能在同一通路发挥作用。
5. VRN2 - PRC2 稳定甲基化 PIF4 信号通路中的关键枢纽基因：通过 ChIP - seq 分析，鉴定出 1474 个与 VRN2 - YFP 相互作用的区域和 703 个在 vrn2 - 5 中 H3K27me3 修饰水平降低的区域，二者重叠的 118 个基因被确定为高置信度（HC）VRN2 靶点，包括 YUC8、YUC9、PIN1 等。ChIP - PCR 验证了部分基因是 VRN2 - YFP 的直接结合靶点，且这些基因的 H3K27me3 修饰水平在 vrn2 - 5 中降低，但在光周期中无显著变化。尽管 H3K27me3 修饰稳定存在，部分基因在 vrn2 - 5 中 ZT8 时表达升高，表明 VRN2 - PRC2 通过靶向关键枢纽基因抑制 PIF 信号通路，进而调控植物生长。
6. VRN2 稳定性的时空和光响应分析：研究发现 VRN2 的 mRNA 表达和蛋白稳定性在光周期中无明显变化。RT - qPCR 分析显示，VRN2 - PRC2 的直接靶基因 HAT4、YUC8 和 YUC9 在 vrn2 - 5 成熟叶片中的表达高于 WT。组织化学染色表明，VRN2 - GUS 在叶片发育过程中的定位呈动态变化，在 SAM、叶原基和幼叶中信号强，随着叶片老化逐渐减弱，这与细胞分裂停止前沿相关，且受翻译后调控。由此推测，VRN2 - PRC2 在叶片发育早期稳定沉积 H3K27me3，建立条件性抑制的表观遗传状态，便于后期光触发的抑制作用。

研究结论

VRN2 - PRC2 通过对 PIF4 信号通路中关键枢纽基因的组蛋白甲基化修饰，在光特异性调控下抑制植物生长。该调控作用在幼苗期开始，通过限制细胞扩张来调控叶片生长。VRN2 在叶片发育过程中的稳定性受时空调控，可能与缺氧梯度或其他信号有关。H3K27me3 修饰在 VRN2 - PRC2 靶基因上相对稳定，与基因转录激活和抑制的复杂调控有关，有助于植物对环境信号的快速响应。本研究揭示了 VRN2 - PRC2 在植物生长发育中的重要作用，为理解植物生长的表观遗传调控机制提供了新的见解。

研究展望

未来研究可进一步探究 VRN2 - PRC2 与其他调控因子的相互作用，以及其在不同环境条件下的调控机制。同时，直接测量细胞内 O₂水平，利用细胞或组织特异性互补系进行研究，将有助于深入理解 VRN2 - PRC2 的功能和作用机制 。