研究背景

土壤盐碱化是全球农业生产面临的重大挑战。盐胁迫对绝大多数植物，尤其是甜土植物 (占陆地植物种类的98%左右)，会产生严重影响。因此，为了减轻盐胁迫的危害，植物进化出多种适应策略，包括：将进入细胞的Na⁺主动排出细胞外，或将Na⁺隔离至液泡等细胞器中，从而减缓Na⁺对酶促反应的干扰。此外，植物还进化出了多条信息传递通道应对盐胁迫，当识别到盐胁迫信号后，胁迫信号通过如SOS信号通路等多条信号传导途径，传递至相应的亚细胞位置，驱动盐胁迫的响应反应。

细胞核作为基因表达调控的核心区域，在接收到盐胁迫信号后，利用多种表观遗传调控机制调节靶标基因的表达水平，并在一定时期内形成对盐胁迫的记忆。这些表观调控机制包括：DNA甲基化、组蛋白甲基化和乙酰化、组蛋白变体、小RNA、长非编码RNA等。表观遗传在转录水平和转录后水平上协同调控盐胁迫基因、生长发育基因的表达，从而帮助植物在盐胁迫下维持动态的生长发育与抗盐平衡。

近日，中国农业大学的研究团队在International Journal of Molecular Sciences (IJMS) 上发表了题为“Insights into the Epigenetic Basis of Plant Salt Tolerance” 的综述文章。中国农业大学张冬俣、张耀斌为共同第一作者，李景睿副教授、周波副教授为共同通讯作者，张铎骞、李冠霖、孙德昊博士参与了论文撰写。该文全面总结了过去数十年植物盐胁迫表观遗传调控研究成果，系统展示了植物如何通过表观遗传机制建立盐胁迫特异性的转录组，并形成盐胁迫记忆等重要生物学过程。

研究内容

针对不同类型的表观遗传调控，作者首先总结了盐胁迫后各种表观遗传调控在整体水平上的变化趋势。有趣的是，即使是同一物种 (如水稻) 中，耐盐和不耐盐水稻在盐胁迫后，表观遗传的变化趋势存在显著差异，未来的研究可以进一步探讨不同品种间表观遗传差异形成的机制。接着，作者聚焦具体案例，总结了不同表观遗传过程在盐胁迫下调控靶标基因表达的分子机制。例如，植物利用不同的乙酰化酶/去乙酰化酶响应盐胁迫，借助细胞水平、组织水平及激素调控等多种途径，促进植物对盐胁迫的应答，从而提高植物的盐耐受性 (图1)。通过改变组蛋白的修饰状态，植物能够快速响应盐胁迫，激活或抑制相关基因的表达，增强其耐盐能力。一些盐胁迫表观遗传调控的靶标基因在不同物种中是保守的，例如HKT1。作者比较了不同植物中的研究结果，发现了不同植物调控HKT1的特异性表观遗传机制 (图2)，这些物种间差异可为育种提供潜在的策略。

图1. 盐胁迫下，植物通过调节组蛋白乙酰化修饰调控盐胁迫响应基因的表达。

图2. 盐胁迫下，拟南芥、水稻和小麦通过不同的表观遗传调控机制调节HKT1基因表达。

植物是否能够通过表观遗传产生胁迫记忆？作者总结了一些表观遗传产生胁迫记忆的案例。DNA甲基化、组蛋白修饰均可以帮助植物“记住”盐胁迫经历，从而在二次胁迫中更迅速地做出响应。

研究结论

文章最后指出，尽管目前已有不少证据支持表观遗传调控与植物耐盐性之间的相关性，但仍有许多问题亟待解决。例如：(1) 盐胁迫下，调控DNA甲基化和组蛋白修饰的分子机制尚未完全解析；(2) 不同表观遗传之间的相互作用尚未完全阐明；(3) 表观遗传在植物耐盐记忆形成中的作用机制仍值得进一步探索 (图3)。

图3. 盐胁迫下多种表观遗传过程参与基因表达调控和盐胁迫记忆维持。

原文出自 IJMS 期刊：https://www.mdpi.com/3021420

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/ijms

IJMS 期刊介绍

主编：Prof. Dr. Maurizio Battino, Marche Polytechnic University, Italy

期刊发表生物化学与分子生物学、生物材料、生物医学、植物学、生物物理和纳米科学等分子相关领域的研究，目前已被Scopus、SCIE (Web of Science)、PubMed、MEDLINE等数据库收录。

2023 Impact Factor：4.9

2023 CiteScore：8.1

Time to First Decision：18.1 Days  

Acceptance to Publication：2.8 Days