硝酸盐波动通过组蛋白修饰调控拟南芥根系IPT3介导的细胞分裂素合成以促进生长适应

本刊推荐：为解决植物如何适应土壤中波动的硝酸盐环境这一关键问题，研究人员聚焦于硝酸盐-细胞分裂素(CK)信号通路的核心调控机制。研究发现，硝酸盐有效性动态调控细胞分裂素生物合成关键基因IPT3的转录，该过程由组蛋白H3K27me3和H3K4me3修饰的拮抗平衡所介导；鉴定出JMJ14、CLF、REF6/ELF6/JMJ13和ATX1等染色质效应因子参与调控；证实IPT3表达的精密调控对维持根-冠生长平衡具有决定性作用。该研究揭示了表观遗传机制调控营养响应的新范式，为作物养分高效利用提供了新思路。

　　

在自然和农业生态系统中，硝酸盐(NO₃^-)是植物主要的氮源，但其在土壤中的有效性常因淋溶作用而呈现剧烈波动。植物根系如何感知并快速适应这种波动的营养环境，进而协调生长响应，是植物营养学的核心问题。以往研究表明，硝酸盐不仅作为营养素，更作为信号分子激活钙信号通路，通过磷酸化主效转录因子NIN-LIKE PROTEIN 7 (NLP7) 启动初级硝酸盐响应基因（如硝酸盐转运基因NRT1.1、NRT2.1和同化基因NIA1等）的表达。此外，硝酸盐还能系统性地调控植物激素——细胞分裂素(Cytokinin, CK)的生物合成与运输。细胞分裂素，特别是反式玉米素(tZ)及其前体，被认为是硝酸盐依赖的“丰裕信号”，从根系合成后通过转运蛋白ABCG14向地上部运输，促进茎叶生长并抑制根系过度增殖，从而优化根冠比。在拟南芥中，ADENOSINE PHOSPHATE-ISOPENTENYLTRANSFERASE 3 (IPT3) 是硝酸盐诱导细胞分裂素生物合成最关键的基因，但其表达如何被动态调控以适应波动的硝酸盐环境，其背后的分子机制，尤其是表观遗传调控层面，仍知之甚少。

为了解决这一难题，Fanny Bellegarde等研究人员在《Plant Communications》上发表了他们的最新研究成果。他们通过整合生理学、分子生物学、遗传学和表观基因组学分析，揭示了硝酸盐波动通过组蛋白修饰H3K27me3和H3K4me3动态调控IPT3转录，从而精确控制细胞分裂素输出并介导生长适应的新机制。

本研究主要采用了以下几种关键技术方法：1) 利用水培和琼脂培养体系进行硝酸盐波动处理（充足-饥饿-重供给）的时间序列实验，监测植物生长、硝酸盐及叶绿素含量变化；2) 使用超高效液相色谱-串联质谱(UPLC-MS/MS)对根系中的细胞分裂素多种形式（如iP, tZ及其前体）进行精确定量；3) 通过染色质免疫沉淀技术(ChIP-qPCR)追踪IPT3基因位点上组蛋白修饰（H3K4me3和H3K27me3）的动态变化；4) 利用CRISPR/Cas9或T-DNA插入的多种突变体（如ipt3-2, ipt3 ipt5 ipt7三突变体、jmj14-1, clf-29, ref6 elf6 jmj13三突变体, atx1-2, nlp6 nlp7-1等）和回补株系（ProIPT3:IPT3-tagRFP）进行功能验证；5) 通过qRT-PCR分析关键基因的表达模式。

硝酸盐波动控制细胞分裂素生物合成和运输

研究人员设计了一个硝酸盐波动的时间序列实验（12天充足→3天饥饿→重供给）。他们发现，根系硝酸盐和活性细胞分裂素（iP和tZ）含量在饥饿24小时内迅速下降，并与IPT3（而非IPT5或IPT7）的转录抑制高度同步。重供给硝酸盐后，IPT3在15分钟内即被快速诱导，呈现两阶段激活模式。他们构建了在ipt3 ipt5 ipt7三突变体背景下的IPT3-RFP回补株系，证实其能恢复并增强细胞分裂素积累，特别是tZ类型。进一步发现，细胞分裂素生物合成酶基因CYP735A2和转运蛋白基因ABCG14的长期诱导依赖于IPT3产生的细胞分裂素，表明存在一个细胞分裂素自我放大的正反馈回路。

IPT3在植物适应硝酸盐波动生长中的关键作用

表型分析表明，ipt3-2突变体在硝酸盐充足条件下也表现出类似野生型在饥饿时的表型——根冠比升高，即根重增加而茎重减少。这是由于ipt3-2突变体的初生根生长速率在硝酸盐充足时本就更高，且其根分生区皮层细胞数量更多。饥饿促使野生型根生长加速，而重供给则抑制其生长，这种快速的生长速率变化在ipt3-2中显著减弱，在IPT3-RFP中则加剧。这表明IPT3的抑制对饥饿诱导的根生长是必需的，而其诱导对重供给后抑制根生长、促进茎生长至关重要。

硝酸盐变化对IPT3的转录调控与组蛋白修饰相关

ChIP-qPCR分析揭示，IPT3的染色质状态对硝酸盐波动极为敏感。在硝酸盐充足、基因表达时，其基因体区域富含激活标记H3K4me3。饥饿导致IPT3抑制，伴随着H3K4me3的清除（2小时内）和抑制标记H3K27me3的沉积（3天后）。重供给后，H3K27me3在30分钟内迅速减少，而H3K4me3的沉积直到3小时后才发生，与IPT3转录的第二阶段增强同步。

硝酸盐饥饿通过H3K4me3去甲基化和H3K27me3沉积抑制IPT3基因座

通过分析组蛋白修饰酶突变体，研究人员发现了参与此过程的关键效应因子。H3K4me3去甲基化酶JMJ14的突变（jmj14-1）导致饥饿早期IPT3的抑制不完全，且H3K4me3水平维持在较高水平，表明JMJ14参与了IPT3的早期 repression。H3K27me3甲基转移酶CLF的突变（clf-29）则阻止了长期饥饿下H3K27me3在IPT3基因座上的沉积，但并未解除基因抑制，说明H3K27me3的作用是“锁定”而非“建立”抑制状态。CLF在饥饿条件下被招募到IPT3基因座，可能确保了其在韧皮部伴细胞中的特异性沉默。

硝酸盐诱导IPT3的两个阶段分别受H3K27me3去甲基化和H3K4me3甲基化控制

重供给阶段，H3K27me3去甲基化酶REF6/ELF6/JMJ13的三突变体严重削弱了IPT3的早期诱导，且H3K27me3水平无法降低，证明这些去甲基化酶是解除基因锁定的关键。H3K4me3甲基转移酶ATX1的突变（atx1-2）则特异性地破坏了重供给3小时后的第二阶段IPT3诱导和H3K4me3沉积，但不影响早期 induction。令人意外的是，硝酸盐信号核心转录因子NLP7/NLP6的双突变虽削弱IPT3诱导，却不影响H3K27me3的去除，暗示它们可能作用于去甲基化之后，负责招募或协同转录机器。

H3K4me3和H3K27me3的动态平衡对细胞分裂素合成至关重要

最终的细胞分裂素定量分析证实了上述染色质调控的生理输出。clf-29突变体在硝酸盐充足时表现出细胞分裂素谱系的变化（iP减少，tZ增加），暗示H3K27me3缺失可能加速了iP向tZ的转化。ref6 elf6 jmj13三突变体在重供给后细胞分裂素积累普遍减少。atx1-2突变体则特异性缺失了重供给后第二阶段的tZ型细胞分裂素积累。这些结果 unequivocally 证明，IPT3位点的组蛋白修饰动态是硝酸盐波动下根系细胞分裂素输出的核心调控机制。

本研究得出结论：硝酸盐波动通过一组拮抗的组蛋白修饰（H3K27me3和H3K4me3）动态调控IPT3的转录，从而精确控制根系细胞分裂素的生物合成。JMJ14和CLF介导的修饰变化分别负责饥饿早期的基因失活和长期的稳定抑制；而REF6/ELF6/JMJ13和ATX1则分别介导重供给早期的基因“解锁”和晚期的强化表达。这套精密的表观遗传调控机制使得植物能够快速调整细胞分裂素水平，进而适时地抑制或促进根系生长，并协调地上部的发育，最终实现根冠资源获取与利用的最佳平衡。该研究不仅深化了我们对植物营养信号与激素互作的理解，更重要的是揭示了表观遗传调控在植物适应非生物环境波动中的核心作用，为未来通过遗传操作染色质修饰状态来培育养分高效作物品种提供了重要的理论依据和分子靶点。