2020年9月21日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心上海植物逆境生物学研究中心何跃辉研究组在Nature Plants发表了题为“Maternal transmission of the epigenetic ‘memory of winter cold’ in Arabidopsis”的研究论文，揭示了长期低温（寒冬）诱导的“春化”状态（或“冬季低温记忆”）通过卵细胞传递给合子和早期胚胎的母系遗传机制。

　　有些植物可以记住过去的环境经历，以适应特定的生境。植物的“环境经历记忆”能否以及如何传递或遗传给下一代仍不清楚。许多生长在高纬度地区的越冬植物，必须经历一段时间的持续低温（寒冬）才能获得在春季开花的潜力（即春化作用）。春化作用受表观遗传机制调控。在模式植物拟南芥中，长期低温通过多梳（Polycomb）蛋白介导的染色质修饰（组蛋白H3第27位赖氨酸三甲基化，H3K27me3）关闭抑制开花的转录因子FLC，该位点的沉默状态在气温回升后（春季回暖）仍然被维持（“冬季低温记忆”），从而使植物获得了在春天开花的潜力。何跃辉课题组近年来对拟南芥“冬季低温记忆”的形成、维持及重置（擦除）的分子表观遗传机制进行了系统研究，揭示了“冬季低温记忆”形成的分子调控元件及重置机制（Yuan et al. Nature Genet 2016; Tao et al. Nature 2017; Tao et al. Nature Plants 2019）。“冬季低温记忆” 虽然在当代稳定，但在种子（下一代）发育过程中被重置，最终每一代都要经历寒冬后在春季开花。之前的研究认为在有丝分裂过程中“冬季低温记忆”从母细胞传递给了子细胞（即在当代稳定），但不能通过减数分裂传递（即该记忆或表观遗传标记在配子中已丢失）。“春化”状态能否通过配子遗传下一代（如早期胚胎/种子）仍未知。

　　在这项最新发表的研究中，何跃辉研究组通过遗传、分子和细胞生物学等方法发现在拟南芥配子形成过程中卵细胞携带“冬季低温记忆”（即长期低温诱导形成的FLC染色质沉默状态），但该记忆在精细胞中已丢失。进一步的分析表明亲本的“春化”状态通过卵细胞遗传给早期胚胎，即母系遗传（图1）。该发现改写了“春化”状态传递的经典概念，即“春化”状态可通过减数分裂传递给配子（雌配子），并揭示了染色质介导的植物环境记忆通过雌配子遗传给下一代（早期胚胎）的代际传递机制。此外，这项研究发现父本FLC染色质的沉默标记虽然已丢失，但其表达在胚胎发育早期仍被抑制，在胚胎发育的后期父本FLC才被完全激活。

　　“环境经历记忆”母系遗传机制的解析对认识植物如何适应环境具有重要的科学意义。

　　何跃辉研究组的副研究员罗晓、在读博士生藕洋和李人杰为共同第一作者。何跃辉研究员为该论文的通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委和中国科学院相关经费的资助。

　　论文链接：https://www.nature.com/articles/s41477-020-00774-0

图1：染色质状态介导的植物“冬季低温记忆”母系遗传机制