《Plant Physiology and Biochemistry》：Dynamics of DNA methylation and histone acetylation and methylation during European chestnut bud development
编辑推荐：
本研究针对多年生植物欧洲板栗芽发育过程中表观遗传调控机制不清的问题，通过整合形态学分析、免疫定位和基因表达分析，系统研究了芽定型、休眠和萌发三个关键阶段中DNA甲基化(5mC)和组蛋白H3K18乙酰化(H3K18ac)的动态变化。研究发现5mC在芽萌发期显著升高，而H3K18ac在芽休眠期最高，萌发期最低；关键表观遗传调控因子（CsaCMT2/3、CsaROS1、CsaSWC4等）的表达与温度等环境因子显著相关，揭示了表观遗传修饰在芽发育中的协同调控网络，为理解木本植物季节性生长发育提供了新见解。
在温带森林生态系统中，树木如何精确感知季节变化并协调生长发育节奏是一个迷人的科学问题。对于欧洲板栗（Castanea sativa）这样的重要经济树种而言，芽的发育过程——从芽定型、休眠到萌发——不仅关系到树木的生存繁衍，更直接影响其坚果产量和经济效益。然而，与一年生植物相比，多年生木本植物芽发育的分子调控机制，特别是表观遗传调控层面，仍然存在大量未知。
目前已知表观遗传机制在植物生长发育中发挥关键作用，包括DNA甲基化和组蛋白修饰等可逆的染色质标记，它们能够在不改变DNA序列的情况下调控基因表达。在杨树、苹果等木本植物中，研究发现表观遗传调控因子参与休眠转变过程，但关于这些修饰如何在板栗芽发育过程中动态变化、不同修饰之间如何相互作用，以及它们如何响应环境信号等基本问题，尚未得到系统解答。随着气候变化对树木物候的影响日益显著，解析这些调控机制不仅具有理论价值，更对预测和应对气候变化具有紧迫的现实意义。
在这项发表于《Plant Physiology and Biochemistry》的研究中，研究人员开展了一项综合性研究，通过形态学表征、免疫定位技术和基因表达分析，系统揭示了欧洲板栗芽发育过程中表观遗传调控的动态变化规律。
研究采用了多项关键技术方法：利用扫描电镜(SEM)观察芽的显微形态变化；通过免疫荧光定位技术检测芽顶端分生组织(SAM)中5-甲基胞嘧啶(5mC)和组蛋白H3K18乙酰化(H3K18ac)的空间分布和强度；采用RNA测序和实时定量PCR(qPCR)分析19个表观遗传调控基因在两年期间的表达模式；使用主成分分析(PCA)和相关性分析探讨基因表达与环境因子的关系。研究材料来自葡萄牙Marv?o地区果园的成年板栗树芽样本。
3.1 芽发育阶段的特征
研究人员首先对板栗芽发育过程进行了详细的形态学观察。一年生枝条可分为五个区段，不同位置的芽发育命运各异。远端芽虽然形成较晚，但发育更快，能产生更多花序。从5月到翌年4月，芽经历了活跃生长期、芽定型期、休眠期和萌发期的完整循环，每个阶段都有明显的形态学标志。
3.2 DNA甲基化和H3K18ac在芽发育过程中呈现不同的强度模式
免疫定位分析显示，5mC和H3K18ac在芽顶端分生组织(SAM)中呈现截然不同的分布模式。5mC在分生组织外围细胞层(L1、L2、L3)信号更强，而H3K18ac在整个分生组织均匀分布。定量分析表明，从芽定型到休眠，5mC水平升高，并在芽萌发期保持高位；相反，H3K18ac在芽定型期和休眠期强度较高，在芽萌发期显著降低。
3.3 芽发育过程中表观遗传调控因子表达的变化
基因表达分析发现，DNA甲基转移酶CsaCMT2和CsaCMT3在活跃生长期高表达，在休眠期低表达；DNA去甲基化酶CsaROS1表达从活跃生长期到芽萌发前逐渐下降。组蛋白乙酰转移酶CsaIDM1在8月表达上调，而染色质重塑因子CsaSWC4在夏季活跃生长期表达最高。这些基因的表达与最高温度、辐射等环境因子呈显著正相关。
3.4 芽发育阶段与多种表观遗传调控因子表达相关
相关性分析揭示了表观遗传调控网络的内在联系：DNA甲基转移酶之间表达正相关；CsaSWC4与CsaCMTs、CsaDRM2和CsaROS1表达正相关；组蛋白甲基转移酶CsaSWN与乙酰转移酶CsaIDM1和CsaHAC1表达正相关。主成分分析成功将不同发育阶段的芽样本区分开来。
研究表明，欧洲板栗芽发育受到DNA甲基化和组蛋白修饰的精细调控。5mC在芽萌发期升高可能有助于维持基因组稳定性，特别是在转座子含量高的Fagaceae基因组中；而H3K18ac在休眠期的高水平则可能与保持特定基因的转录活性有关。表观遗传调控因子的协同表达模式提示了DNA甲基化、组蛋白甲基化和乙酰化之间存在的交叉对话，共同构成了芽发育调控的表观遗传网络。
这项研究首次在欧洲板栗成年树中系统揭示了芽发育过程中表观遗传标记的动态变化及其调控机制，为理解多年生木本植物如何通过表观遗传机制适应季节性环境变化提供了重要见解。研究发现的关键表观遗传调控因子为未来通过分子育种手段调控树木物候、应对气候变化提供了潜在靶点。
