《Epigenomes》：Epigenetic Memory and Hormonal Crosstalk in Plant Drought Adaptation: Mechanisms, miRNAs, and Technological Advances
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干旱对全球粮食安全构成了重大威胁，因此，理解植物应对水分亏缺的分子机制显得尤为关键。表观遗传修饰，包括DNA甲基化和组蛋白修饰，在调节干旱适应所必需的基因和激素信号通路中发挥着核心作用。微小RNAs在主要作为转录后调节因子的同时，也能影响表观遗传途径并促进染色
干旱对全球粮食安全构成了重大威胁，因此，理解植物应对水分亏缺的分子机制显得尤为关键。表观遗传修饰，包括DNA甲基化和组蛋白修饰，在调节干旱适应所必需的基因和激素信号通路中发挥着核心作用。微小RNAs在主要作为转录后调节因子的同时，也能影响表观遗传途径并促进染色质重塑，这表明其在调节表观遗传记忆中具有一定作用。研究这些相互作用对于理解植物如何在胁迫期间整合表观遗传和转录后调节至关重要。干旱适应植物中的表观遗传记忆为适应性性状的跨代遗传提供了深刻见解，并揭示了植物如何平衡基因组稳定性与可塑性。表观遗传机制与激素信号传导之间的串扰对于微调基因表达、促进植物干旱恢复力至关重要。本文提出了一个整合表观遗传、激素以及由miRNA介导的干旱响应调节的概念框架。该综述强调了亚硫酸氢盐测序和CRISPR-Cas9等先进技术在剖析植物干旱表观遗传响应中的影响。这些方法提升了研究人员对干旱耐受机制的理解，并为培育适合可持续农业的优良抗逆作物提供了可行策略。然而，将表观转录组学修饰与长期干旱记忆直接联系起来的证据仍然有限，且这一新兴的调节层面尚需进一步的实验验证。
1. 引言
气候变化导致干旱事件的频率和严重程度不断增加，这已成为全球农业生产力的主要限制因素。水分亏缺会影响植物的生长、发育和繁殖，最终导致作物减产并威胁全球粮食安全。植物对干旱的适应依赖于在生理、转录和分子水平上运作的多个调节过程的协调作用。尽管在表征单一干旱响应通路方面取得了显著进展，但将表观遗传和激素调节整合为一个统一框架仍不完全清楚。在参与干旱适应的分子过程中，表观遗传调节已 emerged 为应激反应基因表达的主要决定因素，其中DNA甲基化被认为是参与调节植物环境胁迫响应的最广泛研究的机制之一。DNA甲基化和组蛋白修饰可以动态改变染色质结构，从而影响转录活性和细胞对环境刺激的响应。同时，植物激素作为主要的信号分子，将环境线索转化为生理和发育响应。激素和表观遗传途径越来越多地表现为相互连接的调节模块，共同塑造干旱响应。
表观遗传记忆现象提供了额外的复杂性水平，即先前的胁迫暴露会影响植物随后的响应。过去十年积累的证据表明，干旱诱导的DNA甲基化和组蛋白修饰的变化可能在初始胁迫事件之后持续存在，从而有助于维持转录状态和增强胁迫恢复力。本节重点关注植物干旱响应中表观遗传修饰、激素信号传导通路以及小RNA介导的调节之间的相互作用。特别关注表视遗传记忆的作用，以及这些调节层面有助于不同植物物种胁迫适应的分子机制。还讨论了近期技术进步如何改变对干旱相关表观遗传过程的研究，特别是高通量测序方法、染色质谱分析方法和靶向基因组及表观基因组编辑技术的发展。为了整合上述多样的调节层面，研究人员提出了一个概念框架，其中干旱响应源于表观遗传修饰、激素信号传导和小RNA介导的调节之间的动态相互作用。在水分亏缺条件下，胁迫感知触发快速激素响应——主要由脱落酸(ABA)介导，从而启动下游转录重编程。同时，DNA甲基化和组蛋白修饰等表观遗传机制调节染色质可及性，从而稳定或微调应激反应基因的表达。在该框架内，微小RNAs作为关键的中间体，将转录后调节与激素信号传导和表观遗传控制联系起来。通过靶向转录因子、激素生物合成基因和表观遗传调节因子，miRNAs有助于塑造即时胁迫响应和长期适应过程。重要的是，这些调节层通过反馈回路相互连接。激素信号可以影响表观遗传标记的建立，而表观遗传状态可以调节激素敏感性和信号传导效率。这种双向串扰使植物能够在快速响应与胁迫记忆建立之间取得平衡。研究人员进一步区分了干旱适应的两个功能阶段：以可逆转录和激素变化为特征的短期响应阶段，以及涉及表观遗传记忆的长期适应阶段，该阶段可能在胁迫恢复后持续存在，有时甚至跨代相传。
2. 干旱胁迫下的表观遗传记忆、持久性与传递
干旱驱使植物进化出复杂的适应策略。除了即时的生理和分子响应外，表观遗传记忆的概念也日益受到关注，它使植物能够保留先前胁迫暴露的信息并相应地调整未来的响应。表观遗传调节主要由DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNAs介导，在不改变基础DNA序列的情况下调节基因表达，从而有助于植物在波动的环境条件下的可塑性。在本综述中，表观遗传记忆在操作上被定义为应激诱导的表观遗传状态的持续性，包括DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质组织和相关调节通路的变化，这些状态在初始胁迫停止后影响后续响应。该定义与当前植物胁迫记忆的概念一致，同时承认跨代遗传仅在特定物种和实验背景中得到证明。
2.1. 干旱诱导的表观遗传记忆的建立、维持与重置
表观遗传记忆的形成需要在初始胁迫事件后持续存在并影响未来响应的分子特征。在干旱启动期间，植物经历广泛的表观遗传重编程，导致转录状态改变，从而促进对后续胁迫暴露的更快或更有效的响应。持久的DNA甲基化模式和稳定的组蛋白修饰是与这种记忆效应相关的主要机制。这些表观遗传状态的建立和维持依赖于专门的酶机制。DNA甲基转移酶起核心作用，其中DRM介导从头甲基化，CMT3有助于在DNA复制期间维持甲基化模式。组蛋白修饰酶，包括组蛋白乙酰转移酶、组蛋白甲基转移酶和组蛋白去乙酰化酶，进一步调节染色质可及性并帮助维持干旱相关的转录程序。最近证据表明，干旱记忆通过多个调节层运作。尽管表观遗传标记可以持续较长时间，但它们并非永久固定不变。去除或重塑胁迫相关修饰的能力对于维持发育灵活性至关重要。因此，表观遗传重置可能在胁迫恢复或特定发育转变期间发生。这种重置过程由几类染色质相关酶介导，组蛋白去甲基化酶、磷酸酶、去泛素化酶和组蛋白去乙酰化酶通过去除或修改先前建立的表观遗传标记来贡献动态调节。染色质重组的另一个组成部分涉及拟南芥中的SWR1染色质重塑复合物，通过将经典组蛋白替换为变体形式，SWR1改变核小体组成并影响转录活性。
2.2. 干旱诱导的表观遗传修饰的持久性与传递
植物表观遗传学的一个主要问题是应激诱导的表观遗传状态能否超出暴露个体并影响其后代。稳健的稳定跨代遗传证据仍然相对有限，且大多局限于少数实验体系。在这个背景下，跨代表观遗传遗传是指在不改变DNA序列的情况下传递胁迫相关的表型特征。目前的证据表明，干旱诱导的表观遗传变化的传递往往是有限的且依赖于具体环境。组蛋白修饰也与干旱相关记忆的持久性有关。H3K4me3和H3K27me3都与干旱响应基因调节有关。在分子水平上，表观遗传状态的维持和潜在传递涉及经典表观遗传机制与非编码RNAs之间的广泛相互作用。小干扰RNAs和微小RNAs可以引导特定基因组区域的DNA甲基化和染色质重塑。长链非编码RNAs通过将染色质修饰复合物招募到特定基因组位点来提供额外的调节层。然而，这些修饰能在多大程度上跨代维持仍未完全解决，并且似乎因物种、基因组背景和环境条件而异。
3. 干旱胁迫下表观遗传调节与激素信号传导的相互作用：基于框架的视角
本节在上述概念框架的基础上，探讨了表观遗传机制如何调节激素信号通路，特别强调了它们在协调快速响应和稳定长期适应记忆中的作用。干旱胁迫触发植物生理和分子过程的大规模重编程，这主要由激素信号网络介导。越来越多的证据表明，这些通路受到表观遗传机制（包括DNA甲基化、组蛋白修饰和小RNA介导过程）的紧密调节。通过这些调节层，植物可以动态调节激素相关基因的表达，从而实现快速灵活的缺水响应。
3.1. 作为干旱激素响应调节因子的DNA甲基化
3.1.1. DNA甲基化与ABA信号传导
DNA甲基化是被最广泛研究的干旱胁迫表观遗传机制之一。大量证据将DNA甲基化与ABA介导的干旱响应联系起来。对ABA缺乏的玉米突变体vp10分析表明，DNA甲基化有助于调节ABA依赖的胁迫适应。在柑橘中，干旱诱导的甲基化变化与通过调节ABA信号通路增强的恢复力相关。在小麦中，耐旱品种在胁迫下表现出全局甲基化水平降低，同时伴随ABA积累的增加和胁迫相关基因的激活。在茶树中，表观遗传调节同样与脱水期间ABA生物合成的增强有关。
3.1.2. 发育与生理适应
除了ABA相关通路外，DNA甲基化还有助于与干旱耐受性相关的发育和生理适应。拟南芥cmt3突变体的研究表明，维持稳定的甲基化环境在调节与水分利用效率相关的性状中至关重要。
3.1.3. 全基因组甲基化重编程
干旱会诱导大规模的全基因组甲基化重编程。在水稻和玉米等作物中鉴定出数千个差异甲基化区域，特别是在应激响应基因的启动子区域内。嫁接系统中干旱相关甲基化模式可以与移动的miRNAs相互作用，这使得区分直接的表观遗传遗传与其他形式的系统调节变得困难。
3.1.4. 跨物种的激素串扰
在大麦中，RNA介导的DNA甲基化与终末期干旱胁迫下的基因沉默有关，HvCKX2.1启动子甲基化增加表明表观遗传调节与细胞分裂素代谢之间存在联系。在杨树中，染色质重塑因子DDM1的下调增加了干旱耐受性。在水稻中，甲基化动态影响由ABA、生长素、赤霉素、茉莉酸、细胞分裂素和油菜素类固醇介导的通路。
3.1.5. 棉花、镉及保守机制
在棉花中，甲基化调节乙烯、生长素、赤霉素和细胞分裂素涉及的激素通路。在镉胁迫下也描述了DNA甲基化与激素调节发育过程之间的类似相互作用，展示了不同环境胁迫响应之间共享的保守表观遗传调节机制。
3.1.6. 综合总结
总而言之，DNA甲基化作为环境胁迫感知与激素信号传导之间的核心调节界面，通过影响ABA、生长素、赤霉素等激素的相互作用，对即时胁迫响应和长期适应过程做出贡献。
3.2. 组蛋白修饰协调对干旱的激素和发育响应
3.2.1. 组蛋白修饰调节ABA依赖的干旱响应
组蛋白修饰是将激素信号通路与植物干旱胁迫响应联系起来的重要调节层。在大麦中，干旱诱导的组蛋白H3修饰变化，尤其是H3K4me3和H3K9ac，在ABA信号相关基因处显示出强烈的富集。
3.2.2. 组蛋白修饰酶协调激素与发育适应
在沙棘幼苗中，干旱诱导的H3K9乙酰化正向调节ABA生物合成和信号传导相关基因。杨树中新型的RPD3/HDA1型组蛋白去乙酰化酶84KHDA903的表达增强了转基因烟草的干旱耐受性。在拟南芥中，组蛋白去乙酰化酶HD2A和HD2B也整合到ABA依赖的干旱响应中。
3.2.3. 不同物种中的组蛋白修饰酶
在小麦中，含有JmjC结构域的蛋白质协调与胁迫耐受性相关的复杂组蛋白甲基化动态。在番茄中，广谱表达的组蛋白去乙酰化酶基因SlHDA5和SlHDA3的沉默降低了耐盐和抗旱性。
3.2.4. 发育响应与结论
组蛋白修饰还有助于与环境适应相关的发育和长期响应。这些研究表明，组蛋白修饰作为干旱胁迫期间激素信号的动态调节器，通过组蛋白甲基化和乙酰化途径的协调作用，调节ABA依赖性响应并整合适应程序。
3.3. 干旱胁迫下激素信号传导的microRNA介导调节
miRNAs是植物适应干旱的重要调节因子，通过调节参与激素生物合成、感知和信号传导的基因发挥作用。激素相关通路是miRNA介导调节的主要方面。在多种植物中鉴定出大量响应干旱的miRNAs，表明miRNAs作为连接信号通路与转录和表观遗传调节的关键节点，有助于对干旱的快速和持续适应响应。
3.4. 作为表观遗传和激素响应整合因子的Epi-miRNAs
表观遗传调节下的候选epi-miRNAs是将转录后基因调节与表观遗传机制整合的额外调节层。几种miRNAs通过与RNA介导的DNA甲基化通路的相互作用间接促进染色质重塑。例如，在水稻中，miR2105在ABA积累调节中起关键作用，证明了miRNAs与表观遗传通路密切相互作用并可能贡献于基于染色质的调节。
3.5. 植物干旱响应中的表观转录组学调节
除了典型的表观遗传层外，植物还采用表观转录组学调节，即在转录后水平上调节基因表达的RNA化学修饰。在其中，N6-甲基腺苷(m6A)是真核生物mRNA中最丰富的内部修饰。在机制上，m6A通过涉及甲基转移酶、RNA结合蛋白和去甲基化酶的“写入-读取-擦除”系统运作。关于干旱适应，表观转录组调节提供了一种快速调节应激响应转录本的机制。与DNA甲基化或组蛋白修饰不同，RNA修饰通常不被认为是可稳定遗传的，其对应激“记忆”的贡献最好被理解为短暂的，在RNA持久性层面运作而非长期的表观遗传遗传。
4. 表观遗传修饰研究的技术进展
4.1. 分析干旱诱导的表观遗传图谱
高通量技术的发展改变了对植物表观遗传学的研究，使得能够对参与胁迫适应的DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质可及性和调节元件进行全基因组表征。DNA甲基化谱分析已成为研究干旱相关表观遗传调节的基础工具。亚硫酸氢盐测序仍然是检测单核苷酸分辨率的5-甲基胞嘧啶的金标准。染色质免疫沉淀测序使得能够绘制全基因组中特定的组蛋白标记，并提高对染色质介导的胁迫调节的理解。ATAC-seq等方法生成了可及染色质区域的全基因组图谱，有助于鉴定参与胁迫适应的调节元件。计算表观遗传学的进步促进了对这些大规模数据集的分析和解释。
4.2. 功能解剖与表观基因组工程方法
CRISPR-Cas9系统通过实现特定DNA序列的精确编辑改变了植物生物学。传统的CRISPR/Cas9介导的基因组编辑已成为研究参与植物胁迫响应的表观遗传调节因子功能的基本工具。基于CRISPR的表观基因组编辑依赖于与表观遗传效应结构域融合的催化失活Cas蛋白，允许在不改变基础DNA序列的情况下对DNA甲基化或组蛋白标记进行特异性修饰。常规基因组编辑和靶向表观基因组编辑为研究植物干旱适应提供了互补策略。
4.3. 表观基因组技术的整合与未来应用
高通量方法和CRISPR技术的结合正在加速从描述性表观遗传研究向功能和转化研究的转变。高分辨率表观基因组谱分析与靶向表观基因组编辑的整合将有助于鉴定关键调节位点并加速创新作物改良策略的开发。
5. 挑战与开放性问题
尽管取得了重大进展，但一个关键的未决问题是因果关系：许多与干旱相关的DNA/RNA标记变化是通过全基因组作图鉴定的，但它们对干旱表型的机制贡献通常是推断出的。第二个开放性问题是“表观遗传记忆”的稳定性和跨代持久性。第三个瓶颈是向育种和田间表现的转化，需在农业相关环境中进行验证。最后需要考虑的一个问题是潜在的适应性或产量权衡，因为干旱适应状态在非胁迫条件下可能会产生机会成本。
6. 未来展望
植物干旱生物学未来的进展可能取决于多个调节层的整合。一个主要挑战是开发能够将表观遗传修饰、激素信号通路、非编码RNAs和表观转录组学调节联系起来的综合模型。多组学数据集的高可用性为解决这一挑战提供了机会。将表观基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学信息整合可能促进干旱适应调节枢纽的鉴定。
7. 结论
植物对干旱的适应源于多个调节层的协调相互作用，包括基于染色质的表观遗传机制、激素信号传导通路和小的RNA介导调节。DNA甲基化和组蛋白修饰在调节基因表达方面发挥核心作用。这些染色质水平的过程与激素信号网络紧密整合。同时，miRNAs作为关键调节节点连接转录和转录后过程。技术进步正在迅速扩大研究人员解剖因果关系并工程化应激响应调节网络的能力。将这些进展转化为实际育种计划将需要多组学数据集的整合、人工智能辅助预测模型，以及通过基因组和表观基因组编辑进行的功能验证。这些方法预计将加速表观遗传知识在下一代育种和生物技术策略中的实施。
