《Plant, Cell & Environment》：Chromatin Remodelling Complexes in Plant Adaptation to Abiotic Stress: Mechanisms and Perspectives
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作为固着生物，植物进化出复杂的表观遗传调控网络以适应多种非生物胁迫。染色质重塑是一种核心的表观遗传调控机制，指染色质重塑复合物通过核小体滑动、组蛋白变体交换、核小体驱逐或间距调整来介导染色质空间构象和DNA可及性的动态变化。染色质结构的灵活且可逆的修饰使植物能
作为固着生物，植物进化出复杂的表观遗传调控网络以适应多种非生物胁迫。染色质重塑是一种核心的表观遗传调控机制，指染色质重塑复合物通过核小体滑动、组蛋白变体交换、核小体驱逐或间距调整来介导染色质空间构象和DNA可及性的动态变化。染色质结构的灵活且可逆的修饰使植物能够快速响应外部刺激，从而保障其生存并促进适应可塑性。本综述总结了染色质重塑复合物及其在植物环境适应中的调控机制的研究进展。此外，研究人员讨论了该领域当前的挑战和未来研究方向，包括需要解析染色质重塑子的招募特异性、研究其在复合非生物胁迫下的协调网络，以及将机制性见解转化为用于作物改良的表观遗传工程。总的来说，本综述旨在提供染色质重塑介导的胁迫适应的全面概述，并为通过表观遗传工程开发耐胁迫作物品种奠定基础。
1 引言
全球气候变化显著增加了干旱、盐碱和极端温度等非生物胁迫的频率和强度，严重干扰植物生理过程，导致作物减产并威胁粮食安全。植物作为固着生物无法主动逃离不利环境，因此进化出复杂的调控网络来感知胁迫信号并触发快速、精确的适应性响应。染色质重塑是一种关键的表观遗传策略，在不改变染色质化学组成的前提下动态调节染色质可及性，区别于DNA甲基化和组蛋白修饰。染色质由约147 bp DNA缠绕组蛋白八聚体构成，其结构并非静态，而是受动态调控。研究显示，染色质重塑复合物与其他表观遗传标记协同作用，精细调控胁迫响应基因的表达。已有的综述多聚焦于氧化还原或DNA甲基化等层面，尚缺乏专门针对染色质重塑复合物在植物非生物胁迫适应中的分类、核心机制和调控网络的全面总结。本文重点阐述主要染色质重塑复合物的功能，探讨其潜在分子机制和调控网络，并展望未来研究方向。
2 染色质重塑复合物：鉴定与亚基组成
染色质重塑复合物是真核生物中调控染色质结构和基因表达的主要功能机器，其核心催化活性由ATP依赖性重塑子赋予。根据ATPase插入结构域序列差异及辅助亚基，这些重塑子分为四个经典亚家族：SWI/SNF(Switch/Sucrose non-fermenting)、ISWI(IMITATION SWI)、CHD(Chromodomain, Helicase, and DNA binding)和INO80(INOSITOL REQUIRING 80)。ATPase包含多个保守功能结构域，如HSA结构域介导肌动蛋白相关蛋白模块组装，AutoN和NegC作为内在顺式调节因子调节ATPase活性。SWI/SNF ATPase具有N端QLQ基序和保守的SnAC、AT-hook及bromodomain特征，拟南芥编码BRM、SYD、MINU1和MINU2四种ATPase，其中仅BRM含有识别乙酰化组蛋白标记的C端bromodomain。ISWI重塑子依赖C端HSS模块识别接头DNA和组蛋白H4尾部，拟南芥中CHR11和CHR17为核心催化ATPase。CHD蛋白含有串联chromodomain和C端SANT-SLIDE DNA结合单元，植物CHD旁系同源物还携带PHD指结构用于读取修饰组蛋白。INO80家族在ATPase结构域中存在异常大的插入区域，可招募Rvb1/Rvb2 AAA+ ATPase，拟南芥INO80和PIE1形成两个不同的多亚基复合物。
通过序列同源性和遗传学鉴定，并结合免疫沉淀-质谱(IP-MS)等技术，已鉴定出大量辅助亚基。拟南芥SWI/SNF重塑子可分为BAS-A/B、SAS和MAS三种组装形式，每种复合物包含上述四种ATPase之一，并含有保守的SWI3旁系同源物、BSH和SWP73A/B。ISWI复合物由CHR11/17 ATPase与DDT结构域蛋白及植物特异的ARID5和FHA2结合。拟南芥DDT结构域蛋白家族包含12个成员，除RLT3和DDR2外均与CHR11/17互作形成功能冗余的ISWI组装。FHA2仅存在于CRAF复合物中，参与雄蕊发育和育性。ARID5通过ARID-PHD双结构域同时识别H3K4me3和AT富集DNA，引导重塑子至转录活跃位点。CDM复合物通过DDP亚基的PHD指结合H3K4me3，而CDD复合物的募集机制尚不明确。拟南芥INO80和SWR1复合物保留了保守的RVB1/RVB2 (RIN1/RIN2)和Arp亚基，同时整合了植物特异成分，如INO80中的class III COMPASS模块和SWR1中的MBD9/CHR11/17。COMPASS模块参与H3K4甲基化，连接染色质重塑与组蛋白修饰。CHD家族包括CHR5和CHD3蛋白。这些结构差异导致各亚家族具有不同的核小体重塑活性。
3 ATP依赖性染色质重塑的核心机制
3.1 核小体滑动
核小体滑动是指重塑复合物在不破坏组蛋白八聚体完整性的情况下，将完整的八聚体沿DNA重新定位，从而暴露或掩盖特定的调控元件。SWI/SNF复合物通过ATPase马达在超螺旋位置2(SHL2)结合核小体，利用ATP水解易位DNA，驱动核小体滑动，甚至可诱导核小体驱逐或碰撞依赖的染色质重塑。ISWI复合物依赖保守的“尺子”机制，SLIDE结构域感知20-60 bp接头DNA长度，HAND/SANT结构域与组蛋白H4尾部互作，将核小体滑向DNA片段中心以均衡接头DNA距离。INO80家族通过Arp8模块在SHL6处发挥功能，以接头DNA依赖性方式支持核小体和六聚体中间态滑动；在启动子处，INO80活性受通用调控因子(GRFs)限制，以稳定+1核小体位置。CHD复合物通过chromodomain和ATPase结构域在SHL2结合核小体，驱动序列依赖性滑动，其中Chd1偏好poly(dA:dT)富集序列，促进核小体游离区(NFRs)形成并维持全基因组核小体有序性。
3.2 核小体驱逐
核小体驱逐是指从染色质上移除组蛋白八聚体或置换H2A-H2B二聚体，从而产生NFRs或亚核小体颗粒。SWI/SNF家族成员(特别是RSC复合物)在poly(dA:dT)富集的启动子区域介导ATP依赖性核小体驱逐，并与组蛋白分子伴侣Nap1协作完成八聚体移除。ISWI复合物的作用具有背景依赖性：ISW1与RSC和INO80协同精调NFR边界，而ISW2则拮抗驱逐以维持特定基因组区域的核小体稳定性。INO80通过置换H2A-H2B二聚体介导部分驱逐形成六聚体中间态，完全八聚体驱逐需要长于60 bp的侧翼DNA，而六聚体驱逐对DNA长度不敏感。CHD重塑子通过调节六聚体动力学间接影响驱逐，并防止过度核小体丢失以维持染色质完整性。
3.3 核小体交换
染色质重塑子参与组蛋白变体交换，即用特化组蛋白变体替换常规组蛋白。保守的两条途径包括INO80家族催化的H2A.Z-H2B二聚体交换和CHD/SWI/SNF亚家族介导的H3.3-H4四聚体沉积。SWI/SNF和RSC通过将核小体滑向DNA末端来促进H2A-H2B二聚体交换，其中RSC选择性解离启动子上的H2A.Z核小体以促进NFR形成。ISWI复合物通过稳定核小体阵列间接支持H2A.Z保留和SWR1C依赖性沉积；ISW1b在驱动低水平二聚体交换的同时，还通过调整核小体密度调节H2A.Z周转。SWR1复合物催化单向H2A.Z掺入，而INO80则介导H2A.Z移除以恢复常规H2A。CHD1可直接在活性基因和增强子处沉积H3.3，其酵母同源物Chd1在缺乏ISW1b时维持残余核小体有序性，间接支持H2A.Z依赖性染色质组织。
3.4 核小体间距
核小体间距和阵列相位定义了核小体相对于转录起始位点(TSS)等基因组特征的规则排列。RSC在poly(dA:dT)序列处促进核小体驱逐以建立相位参考点，同时抵消ISWI在TSS处的转录抑制。ISWI和CHD1型重塑子通过“钳制”活性建立并维持均匀的核小体间距，其中ISWI使用“尺子”机制设定一致的接头长度，ISW1b组织全局核小体阵列并解析双核小体，ISW1a在缺乏ISW1b和Chd1时贡献残余有序性，ISW2则通过辅助亚基Itc1与序列特异性因子互作定位单个核小体并界定阵列边界。Chd1通过其N端区域决定核小体重复长度(NRL)，并与ISW1b协同维持规则间距。INO80参与+1核小体定位和初始阵列相位，随后由ISW1a细化以建立均匀间距。
4 染色质重塑介导植物对干旱胁迫的响应
在正常条件下，拟南芥BRM-SWI3C复合物结合ABI5启动子上的ABA响应元件(ABREs)及TSS侧翼区域，维持+1核小体高占有率，形成抑制性染色质状态并抑制ABI5的基础转录。干旱胁迫触发ABA积累并激活SnRK2激酶，后者磷酸化BRM的C端bromodomain削弱其重塑能力，导致ABI5位点核小体占有率下降，从抑制态转变为开放态，激活下游干旱响应基因网络。此外，BRM还介导不依赖ABA的信号级联：正常条件下BRM与转录因子Di19互作，招募组蛋白修饰酶CLF/SWN在病程相关(PR)基因位点沉积抑制性H3K27me3标记；干旱时上调的BAPID竞争性结合BRM和Di19，解除H3K27me3沉默，使Di19激活PR基因转录，调节气孔动态以减少水分流失。
AtCHR12(即MINU1)参与干旱和热胁迫下可逆的生长停滞。功能缺失突变体表现出较弱的胁迫诱导生长抑制，而过表达株系则表现出延长的生长抑制和缓慢恢复；转录谱显示休眠相关DRM基因上调，但尚缺乏直接染色质结合证据。水稻中OsSWI3C与核外周蛋白OsNMCP1互作，从抑制性SWI/SNF复合物中释放，增加干旱响应基因(如NAC10、ERF48、SNAC1和bZIP23)启动子的染色质可及性，重塑根系结构并提高干旱存活率。玉米ZmCHB101靶向胁迫基因TSS周围核小体并在降低占有率的同时招募RNA聚合酶II，激活ABA、钙和活性氧稳态通路，赋予广谱渗透胁迫耐受性。
CHD3型重塑子PKL在萌发过程中抑制ABI3和ABI5，BBX21在叶片中招募PKL至ABI5启动子以重塑局部染色质。PKL还与PRC2协同扩散H3K27me3，干旱时PKL丰度降低可能破坏胁迫基因位点的H3K27me3扩散，解除转录抑制。SUMO E3连接酶MMS21通过SUMO1修饰稳定PKL，干旱或ABA处理降低MMS21和PKL蛋白丰度，减少AFL1位点H3K27me3，从而激活AFL1增强抗旱性。水稻CHD3重塑子OsCHR4影响靶启动子核小体分布，升高H3K4me3并降低H3K27me3，上调生长素和角质层蜡质生物合成基因，促进叶片蜡质积累和激素稳态协调根冠干旱响应。
总而言之，核小体占有率调节和组蛋白修饰调控等核心模块在拟南芥、水稻和玉米中保守，但特定靶基因、互作因子和下游生理途径存在物种差异。
4.1 染色质重塑介导植物对盐胁迫的响应
SWI3B与PP2C磷酸酶HAB1互作，在非胁迫条件结合ABA响应基因的ABREs和TATA框附近抑制转录；外源ABA处理释放HAB1，SWI3B介导核小体重排增强启动子可及性，促进ABA响应基因转录激活，从而启动耐盐和抗旱适应。缺失BRM的突变体在盐处理下ABI1、ABI2和HAI1转录水平显著升高，BRM直接占据这些PP2C基因启动子，盐胁迫诱导AtMYB44从PP2C启动子解离从而解除转录抑制。ARP6作为肌动蛋白相关蛋白参与盐胁迫响应，菠萝AcARP6与拟南芥ARP6同源，受盐和渗透胁迫诱导，异源表达可改变生长并延迟开花，同时提高干旱和盐耐受性，但表型证据尚缺乏染色质水平直接数据。
4.2 染色质重塑介导植物对温度胁迫的响应
HD2C与SWI3B直接互作形成抑制性复合物，靶向热响应基因并维持其基础抑制；热胁迫上调HD2C并增强与SWI3B的结合，hd2c和brm突变体表现出相似的热耐受表型，表明两者在同一遗传通路中发挥作用。SWI3C以温度依赖性方式动态靶向冷调控基因ICE1、MYB15和CBF1-3，在22℃时结合TSS下游，在14℃时移至上游启动子区；缺失SWI3C会干扰这些基因的核小体占有率并导致冷响应基因过表达。水稻ISWI重塑子OsCHR11正调控耐冷性，其突变体冷敏感且冷核心调控基因诱导减弱；OsCHR11优先占据启动子和TSS，冷处理后野生型染色质开放而突变体中基本消失。拟南芥INO80复合物在高温下与PIF4互作，介导靶位点H2A.Z驱逐，同时招募COMPASS甲基转移酶沉积H3K4me3并与SPT4/SPT5协作促进RNA聚合酶II延伸，激活温度及生长素响应基因驱动形态适应。
综合发现，染色质重塑子通过四种核心招募策略靶向胁迫相关基因组区域：转录因子识别、组蛋白修饰阅读器结合、核骨架蛋白锚定以及ABA信号组分互作。
4.3 染色质重塑在植物胁迫记忆中的作用
植物能够储存过去胁迫的信号以增强对后续胁迫的响应，即胁迫记忆。FGT1是热胁迫记忆特异性蛋白，与BRM、CHR11和CHR17互作；brm和chr11 chr17突变体均表现出热记忆受损。FGT1及其伴侣重塑子调节热记忆基因(如HSA32、HSP18.2和HSP22.0) TSS周围的核小体占有率，野生型在热胁迫后核小体占有率快速持续降低，而fgt1突变体过早恢复，导致转录关闭和记忆丧失。冷
