(相關(guān)資料圖)
種子的出現(xiàn)使高等植物能夠在多樣的自然環(huán)境中得以廣泛生存和分布。產(chǎn)生高活力的種子從而在環(huán)境條件合適時迅速萌發(fā)并發(fā)育產(chǎn)生健壯的幼苗是高等植物繁衍的關(guān)鍵，也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中種子品質(zhì)的重要指標(biāo)。然而，目前尚不清楚在種子形成時，其萌發(fā)和胚后發(fā)育的能力是如何產(chǎn)生的。
2022年12月，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所姜丹華研究組在《Nature Communications》雜志上發(fā)表了題為” Histone H3.3 deposition in seed is essential for the post-embryonic developmental competence in Arabidopsis” (DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-022-35509-6)的研究論文，發(fā)現(xiàn)一個組蛋白H3的變體H3.3在染色質(zhì)上的裝配是種子獲得萌發(fā)和胚后發(fā)育能力的關(guān)鍵，同時也分析了H3.3在其中可能發(fā)揮的調(diào)控機制，為進(jìn)一步闡釋種子活力的形成機制提供了基礎(chǔ)。
通過對H3.3完全敲除的擬南芥突變體研究發(fā)現(xiàn)，該突變體能夠正常產(chǎn)生成熟的種子，且其形態(tài)和種子儲藏蛋白等指標(biāo)均與野生型一致。然而h3.3突變體種子卻無法正常萌發(fā)，抑或是少數(shù)萌發(fā)的種子也在萌發(fā)后立即停止發(fā)育。分析H3.3在種子染色質(zhì)上的分布發(fā)現(xiàn)其在成熟種子中具有特異的基因5’端/啟動子區(qū)和基因3’端均富集的分布模式，而在營養(yǎng)組織如幼苗中H3.3僅在基因3’端富集。H3.3對于成熟種子中染色質(zhì)開放性的形成至關(guān)重要，其促進(jìn)基因5’端/啟動子區(qū)的開放，從而使種子在萌發(fā)時感知環(huán)境以及胚后發(fā)育的基因能夠正常表達(dá)。此外，H3.3卻在基因3’端抑制染色質(zhì)的開放性和基因上的異常轉(zhuǎn)錄 (cryptic transcription).
a. h3.3突變體喪失了胚后發(fā)育的能力
b. H3.3在種子中調(diào)控染色質(zhì)開放性和基因轉(zhuǎn)錄的可能機制
上述研究揭示了植物通過組蛋白變體H3.3在種子中的特異裝配，從而“打開”染色質(zhì)為其萌發(fā)和胚后發(fā)育做準(zhǔn)備的機制。因此，在一定程度上H3.3具有類似先鋒因子在細(xì)胞命運調(diào)節(jié)中的作用。作為一種替代 (replacement) 組蛋白，H3.3在很多植物細(xì)胞的分化時均發(fā)生明顯富集。因此，H3.3可能是一個植物細(xì)胞命運決定的關(guān)鍵因子，對其作用機制的進(jìn)一步解析將有助于植物再生等重大科學(xué)問題的探索。
中科院遺傳發(fā)育所的趙婷助理研究員、魯井云博士和張懷仁助理研究員為該論文的共同第一作者，姜丹華研究員為論文的通訊作者，Gregor Mendel Institute的Frédéric Berger 資深研究員也參與了研究工作。該研究得到了中科院先導(dǎo)、國家自然科學(xué)基金和國家重點研發(fā)計劃等項目的資助。
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