SUVH4组蛋白甲基转移酶通过结合剪接因子SAP18介导植物对满月光的表观遗传响应

《Plant Science》：Plant responses to full moonlight requires the SUVH4 HMTase which may target active genes via interaction with the splicing factor SAP18

本研究针对植物如何感知并响应极低强度月光这一科学难题，通过利用拟南芥表观遗传突变体ddm1和suvh4，揭示了SUVH4组蛋白甲基转移酶在植物响应满月光（FML）中的核心作用。研究发现，SUVH4通过与剪接相关蛋白SAP18相互作用，可能靶向活性基因以实现沉默，从而将月光信号转化为功能性状态。该研究为理解月光调控植物生长发育的表观遗传机制提供了新视角，论文发表于《Plant Science》。

　　

长久以来，月光对植物的影响常常被视为神话或民间传说，阻碍了科学界对这一自然现象的深入探索。然而，植物每月有超过8个夜晚、每晚持续5小时以上暴露在80-100%的满月光照射下，这种规律且持续的环境信号不可能不对植物的生命活动产生影响。近年来，科学家开始用严谨的实验证据挑战这一传统认知。研究表明，满月光照射能引起植物大规模的转录组变化、基因组结构重组以及蛋白质和代谢物谱的改变，甚至触发植物的发育转换，对长期生长表现产生深远影响。然而，植物感知并响应如此微弱光信号的内在分子机制，特别是表观遗传层面的调控机制，仍是一个亟待阐明的科学问题。

为了揭示月光信号传导的表观遗传基础，研究人员在《Plant Science》上发表了他们的最新发现。他们以模式植物拟南芥为研究对象，重点关注了两个重要的表观遗传修饰因子——DDM1和SUVH4，并利用其相应的突变体ddm1和suvh4来探究它们在植物响应满月光过程中的作用。

研究团队运用了多项关键技术方法。他们通过在满月夜进行活体植物暴露实验，设置了黑暗对照和生长室光照对照。对处理后的样本，他们进行了详细的表型分析（包括黄化苗的顶端钩打开和子叶展开）、细胞学分析（细胞核大小测量）、代谢组学分析（气相色谱-质谱联用）和蛋白质组学分析（液相色谱-串联质谱）。为了探究蛋白质间的相互作用，研究还采用了GST pull-down（谷胱甘肽硫转移酶沉淀）技术、GFP-TRAP（绿色荧光蛋白捕获）技术以及免疫印迹分析。实验材料包括拟南芥野生型（WT）及其表观遗传突变体suvh4和ddm1，以及转基因表达的SAP18-GFP和phyB-GFP植株。

2. RESULTS

2.1. 表观遗传控制黄化苗对FML的响应

研究人员首先分析了拟南芥黄化苗在满月光照射下的典型反应——顶端钩打开和子叶展开。结果显示，野生型和ddm1突变体的黄化苗在满月光照射5小时后，均表现出明显的顶端钩打开和子叶展开，其效果与生长室光照处理相似。然而，suvh4突变体在黑暗条件下就表现出顶端钩打开和子叶展开，其程度与满月光处理相当，而生长室光照则进一步加剧了这些反应。这表明SUVH4功能的缺失导致植物在黑暗中出现了类似光响应的表型，即suvh4突变体在暗形态建成方面存在缺陷。

2.2. suvh4突变体对FML响应受损：基因组结构

鉴于之前研究发现月光感知会导致烟草细胞核大小发生显著变化，研究人员检测了满月光对拟南芥细胞核大小的影响。结果表明，满月光照射5小时后，野生型和ddm1突变体的细胞核面积相较于黑暗处理均显著增加，而suvh4突变体的细胞核面积则没有明显变化。具体而言，在野生型中，满月光和生长室光照分别使细胞核面积增加了1.8倍和1.95倍；在ddm1突变体中，则分别增加了1.72倍和2.1倍。这证明SUVH4是满月光/生长室光照诱导基因组重组的重要表观遗传修饰因子。

2.3. suvh4突变体对FML响应受损：代谢分析

通过对叶片初级代谢物的分析发现，野生型和ddm1突变体中，满月光处理与黑暗处理的代谢物谱存在明显聚类分离，而suvh4突变体的黑暗与满月光处理的代谢物谱则聚集在一起。在野生型和ddm1中，满月光上调了多种氨基酸（如苯丙氨酸、脯氨酸）和糖类（如棉子糖、海藻糖）的水平；而在suvh4中，仅色氨酸有所增加。特别值得注意的是，水杨酸在野生型拟南芥中经满月光处理后显著增加，但在ddm1和suvh4突变体中则无此变化。

2.4. suvh4突变体对FML响应受损：蛋白质组分析

蛋白质组学分析进一步证实了suvh4突变体对满月光响应的缺失。在两个独立的重复实验（2022年6月和2023年8月）中，野生型和ddm1突变体在满月光照射后均出现多个差异表达蛋白（DEPs），而suvh4突变体则几乎没有。在这些上调的蛋白质中，包括蓝光受体光敏素1（PHOT1）和光敏色素相关的丝氨酸/苏氨酸蛋白磷酸酶1（FYPP1）等关键光信号元件，以及多种与胁迫相关的蛋白质（如热休克蛋白HSP70）和叶绿体/线粒体蛋白。野生型和ddm1共享8个上调蛋白，凸显了这些蛋白在月光响应中的共同重要性。

2.5. 鉴定SUVH4相互作用蛋白

为了阐明SUVH4调控月光响应的机制，研究人员着手寻找其潜在的相互作用蛋白。通过GST pull-down结合蛋白质组学分析，他们发现了三个潜在的核内相互作用蛋白：组蛋白去乙酰化酶复合体亚基SAP18、甘氨酸富集RNA结合蛋白8（GRP8/CCR1）和着丝粒组蛋白H3变体CENH3。其中，SAP18作为植物中凋亡和剪接相关蛋白（ASAP）复合体的核心组分，引起了研究人员的特别关注。

通过体外GST pull-down和免疫印迹实验，研究人员证实了SUVH4能够与组蛋白H3（包括H3K4me2和H3K9me2修饰形式）以及SAP18-GFP发生特异性相互作用。反向的GFP-TRAP实验也表明，SAP18-GFP能够沉淀SUVH4，而作为对照的phyB-GFP则不能。进一步的蛋白质组学分析揭示，SAP18-GFP还能捕获到ASAP复合体的其他组分，即SR45和Acinus旁系同源蛋白PININ，以及真核起始因子4A-III（EIF4AIII）等同为剪接相关的蛋白。染色质分级实验表明，SAP18并不与核小体组分直接关联，提示其可能通过与新生转录本结合来发挥作用。

3. DISCUSSION

本研究的数据有力地证明，尽管月光强度极低（约0.0059 μmol m^-2 s^-1），拟南芥植物仍能感知并响应满月光。研究揭示了SUVH4组蛋白甲基转移酶是调控植物月光响应的关键因子。

蛋白质组数据表明，蓝光受体PHOT1和磷酸酶FYPP1在满月光照射后上调。PHOT1被认为是低强度蓝光的受体，其水平升高可能与感知月光中微弱的蓝光成分有关。FYPP1则通过去磷酸化稳定光敏色素（phy）的活性形式（Pfr），可能有助于维持光敏色素在月光下的信号传导活性。

最关键的发现在于SUVH4通过与剪接相关复合体ASAP的组分SAP18相互作用，从而可能被招募到活性基因位点。ASAP复合体（包含SAP18、SR45和PININ）结合在新生的转录本上。研究人员提出了一个"共转录ASAP剪接/SUVH4沉默复合体"模型：ASAP剪接复合体结合新生转录本，通过SAP18招募SUVH4，后者催化组蛋白H3第9位赖氨酸（H3K9）的甲基化，进而可能引发DNA甲基化（通过CMT3），最终导致基因沉默和异染色质形成。这为SUVH4靶向并沉默活性基因提供了一种新的机制。另一种可能性是，SUVH4可能甲基化SAP18等非组蛋白，从而影响其剪接功能，间接导致基因产物下调。

总之，这项研究揭示了一条之前未被认识的连接通路：组蛋白修饰（通过SUVH4 HMTase）与剪接因子ASAP复合体之间的关联。这种关联可能通过促进活性基因的沉默，将月光信号转化为一种功能性的生理状态，深化了我们对植物适应周期性环境信号的表观遗传调控网络的理解。