《Plant Physiology and Biochemistry》：Epigenetic Regulation and Memory of Convergent Temperature–Light Signaling: Insights from Arabidopsis and Implications for Crop Phenotypic Plasticity
植物同时经历温度和光照，然而这些线索是否在染色质水平上相互作用以产生不同的调控状态仍未得到解决。本综述建立了一个分层证据框架，从单因素响应性到因果功能验证，以批判性评估光温表观遗传整合的主张。我们综合了主要调控模块（phyB–PIF、COP1–SPA、ELF3）和染色质机制（H2A.Z动态、组蛋白修饰、DNA甲基化）的证据。我们的分析揭示了温度和光照在信号传导和转录节点上的实质性趋同，以及每个线索独立影响染色质的强有力证据。然而，对于具有已证实因果功能的非加性温度×光照染色质状态的直接证据仍然稀缺，这主要是由于能够区分交互效应与加性效应的析因实验较为罕见。水稻ACT1研究 exemplifies 严格的因果表观遗传验证，但仅研究了冷胁迫，凸显了对光温析因设计的需求。我们将此框架扩展到作物改良和营养繁殖物种（如恩塞特（enset）），其中克隆繁殖为研究表观遗传持久性提供了机会。至关重要的是，我们强调仅凭持久性不能确立适应性遗传——稳定性、表型效应、传递和适合度后果需要独立评估。确定何时联合温度和光照会产生功能性重要的染色质状态，将决定光温表观遗传调控是代表环境可塑性的真正机制，还是主要作为更广泛生理响应的相关性指标。尽管植物确实表现出热胁迫记忆，并通过相互关联的信号传导和染色质调控网络整合温度和光照，但仍有有限的直接证据表明，联合热和光照暴露会产生一种独特的、整合的表观遗传记忆，而这种记忆无法通过每个线索的单独或交互效应来解释。需要更多受控的析因实验来确定联合的温度–光照历史是否会产生独特且持久的分子状态。本综述为评估证据提供了严格的解释视角，并确定了建立或反驳光温表观遗传整合所需的优先实验方法。
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引言
植物在昼夜、季节和空间尺度上，于持续波动的温度和光照条件下生长发育。这些环境线索调节生长、结构、开花、繁殖、生物量分配和生产力。由于温度和光照是同时经历的，它们的影响可以在生理、转录和发育过程中相互作用，有助于表型可塑性和植物在多变环境中的表现。
温度和光照通过不同的感觉系统被感知——光受体感知光，而涉及蛋白质构象、膜特性和RNA代谢的温度感知机制——汇聚于相互关联的信号网络。关键组分如光敏色素B（phyB）、光敏色素互作因子（PIFs）、组成型光形态建成1–光敏色素A抑制因子（COP1–SPA）复合体和早花3（ELF3）对温度和光照均有响应，使其成为合理的汇聚点。然而，共享响应性本身并不能证明温度和光照通过共同的染色质机制被整合。
染色质调控——涵盖DNA甲基化、组蛋白修饰、核小体重塑、组蛋白变体动态和非编码RNA——提供了一个额外层面，环境信号可通过该层面调节转录状态而不改变DNA序列。这些机制影响环境响应基因表达的量级、持续时间和可逆性，并可能有助于环境暴露后持久转录状态的形成。至关重要的是，染色质调控应被视为环境响应网络中的调控层面，而非假定其启动光温信号传导。环境线索首先通过感觉系统被感知和转导，此后染色质相关机制可能强化、减弱或稳定下游响应。此外，温度和光照响应信号通路的汇聚，或任一线索的独立染色质响应，本身并不能证明光温表观遗传整合。这种整合需要证据表明，相对于相应的单因素条件，联合的温度×光照暴露会产生独特或非加性的染色质响应。
作物系统为研究温度和光照如何影响发育和染色质调控提供了有价值的模型。在小麦和大麦中，春化作用——冷诱导的开花加速——涉及建立温度响应发育记忆的染色质修饰。然而，春化作用本身并不构成温度–光照表观遗传整合的证据，因为其主要诱导线索是长期寒冷而非温度和光照之间的受控交互作用。除春化作用外，温度和光照信号通过共享信号组分——包括光敏色素B、PIF4、COP1和昼夜节律钟——汇聚，以调节植物结构、发育时序和温度形态建成响应。这一已确立的生理框架为研究染色质机制是否有助于光温响应提供了基础。然而，关键在于，温度和光照在特定基因座联合调控特定染色质状态的直接证据仍然稀少，凸显了我们对光温信号传导的理解与染色质水平整合知识之间的显著差距。
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综述方法
本综述采用机制驱动的整合框架，研究温度和光照信号如何汇聚以影响作物中的表观遗传调控、植物发育、胁迫响应和表型可塑性。我们特别关注其在染色质和表观遗传水平上分子趋同或相互作用的证据。综合围绕反复出现的调控枢纽组织，这些枢纽代表了环境感知、信号转导、昼夜节律调控和表观遗传控制之间可能的汇聚点。这些枢纽包括phyB–PIF信号模块、ELF3介导的昼夜节律和光温调控、COP1–SPA复合体以及相关的转录和染色质调控因子。
为确保系统透明的证据综合，我们通过Web of Science、Scopus和PubMed使用"温度"、"光照"、"染色质"、"表观遗传"、"光温"、"记忆"和"作物"等关键词组合确定文献。我们纳入了检查植物对温度、光照或其联合效应的分子、染色质、表观遗传或表型响应的原始研究。综述和其他综合文章主要用于提供更广泛的概念背景和识别相关原始研究，但不作为直接证据。对于每项研究，我们考虑了所检查的环境条件、所研究的分子组分、实验设计、所评估的染色质或表观遗传机制以及所报告的发育或表型结果。
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评估光温整合证据的分层框架
厘清温度–光照相互作用需要仔细评估证据强度。在本综述中，光温整合是指温度和光照信号在调节染色质状态、表观遗传过程和下游基因表达中的分子趋同或相互作用。我们定义了四个递进证据水平。第1级，单因素证据，源自单独检查温度或光照的实验——对于识别候选机制至关重要，但不足以证明整合。第2级，共享节点证据，当温度和光照独立影响共同调控组分（如phyB、PIFs或ELF3）时出现，识别了合理的汇聚点但未确认在同时条件下的整合。第3级，交互证据，来自同时操纵两种线索并检验其统计交互作用的析因实验，区分加性与非加性响应，但交互作用本身并不确立因果关系。第4级，因果证据，需要功能扰动——遗传、药理学或表观基因组编辑——以表明改变提议的整合因子会修饰温度×光照交互作用本身。
检测交互作用与证明因果关系之间存在关键区别。统计上显著的温度×光照交互作用揭示联合效应是非加性的，但并不表明交互组分对于响应是必需的还是充分的。大豆GmbHLH68研究提供了转录水平交互证据的示例，证明联合温度和光照对开花产生非加性效应。然而，它并未确立染色质水平整合或表观遗传水平的因果关系。只有功能扰动——通过基因敲除、化学抑制或靶向表观基因组编辑——才能证明候选整合因子真正介导交互作用。因此，在本综述中，我们将直接光温整合的主张限于明确检验联合效应的实验，而因果主张限于提供功能验证的研究。
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环境信号传导框架：从感知到染色质调控
作为固着生物，植物依赖表型可塑性来调整生长发育以适应变化的环境条件。光照和温度通过部分不同的感觉系统被感知，但影响涉及光受体、转录因子、激素和昼夜节律钟的相互关联网络——近期工作强调了在PIFs等转录调控因子水平上的广泛串扰。这些通路可以快速改变转录，而染色质相关机制可以修饰转录响应的量级、持续时间和持久性。重要的是，信号传导、转录和染色质响应不一定构成普遍的线性序列；它们之间的时间和因果关系可能因基因座、组织、发育阶段、物种和环境条件而异。
4.1 环境感知与信号汇聚
植物通过多种光受体系统感知光照，包括光敏色素、隐花色素、向光素和UVR8，这些系统调节光形态建成、避荫、昼夜节律同步和开花等过程。光敏色素B（phyB）提供了一个特别清晰的温度依赖性调节光信号传导的例子，其因果分子机制已得到充分确立。phyB的活性Pfr形式经历向非活性Pr状态的热逆转，温度升高加速该过程，从而改变phyB活性和下游信号传导。这已通过phyB发色团稳定性的生化测定、phyB突变体的遗传分析和热逆转动力学的生理测量得到证明。这提供了光受体水平的快速信号汇聚，因为温度直接修饰光感知组分的活性。然而，这本身并不能证明染色质水平的温度×光照交互作用；此类交互作用需要在染色质相关基因座进行直接实验检验。
温度响应染色质调控在较慢的时间尺度上发生。含H2A.Z的核小体代表了一个特征明确的例子，其中温度依赖性核小体占据变化影响特定基因座的染色质可及性和转录。重要的是，H2A.Z在温度响应转录中的因果作用得到功能缺失突变体和靶向占据测量的支持，将其与仅存在相关性证据的机制区分开来。phyB活性和H2A.Z动态的对比动力学说明环境调控可以在不同时间层面运作，但两种机制单独都不能确立直接的温度–光照染色质整合。
4.2 从信号汇聚到转录调控
环境感知后，光照和温度信号汇聚于相互关联的转录和发育网络，主要在数分钟至数小时内运作。phyB–PIF模块提供了一个核心例子，其核心调控逻辑得到遗传和生化证据的充分支持。在激活phyB的光照条件下，phyB促进PIFs的磷酸化和降解，限制与伸长和避荫相关的转录程序。在温暖条件或phyB活性降低下，PIF依赖性信号传导有助于温度形态建成响应。这些作用得到突变体表型、蛋白质–蛋白质相互作用研究和转录组分析的支持。
PIF4特别相关，因为它参与温度响应和光调节的生长，并受激素和昼夜节律通路影响。它对多种环境输入的响应性使其成为调控汇聚点，但不一定是两种线索的直接整合因子。证明整合需要联合操纵温度和光照并明确评估其交互作用。迄今为止，此类析因实验已针对某些表型输出（如下胚轴生长）进行，但在联合温度和光照条件下对PIF4依赖性染色质调控的系统检验仍然有限。最近一项大豆研究确定了GmbHLH68作为短期光温信号的整合因子，通过GmFT2a调节开花。这为温度和光照的转录趋同提供了强有力证据，但并未确立染色质水平整合；GmbHLH68是否影响靶基因座的染色质状态，以及这些影响是否对光温响应具有因果性，仍有待确定。
昼夜节律调控因子早花3（ELF3）提供了另一个潜在的调控汇聚点。作为傍晚复合体的组分，ELF3有助于PIF4依赖性温度形态建成的时序调控，将温度响应生长与昼夜节律控制联系起来。遗传证据支持ELF3在温度感知中的作用，尽管它是作为直接温度传感器还是下游调控因子仍未解决。类似地，COP1–SPA–HY5模块通过HY5稳定性的光依赖性调节将光感知与转录联系起来，并也被认为参与温度响应生长。这些模块因此代表了环境汇聚的合理点，但它们在温度×光照染色质交互作用中的作用仍是假设性的，因为目前缺乏交互依赖性染色质变化的直接证据。
4.3 转录调控与染色质的界面
PIF4、HY5和C重复结合因子/脱水响应元件结合蛋白（CBFs/DREB1s）等转录因子可以通过与染色质重塑因子、组蛋白修饰酶和其他调控蛋白相互作用，提供环境信号传导与染色质调控之间的界面。通过这些相互作用，环境信号可能影响响应基因座的染色质可及性和转录。
然而，这一界面应谨慎解释，不同提议相互作用的证据基础差异很大。对于某些相互作用——如特定转录因子招募组蛋白乙酰转移酶——直接生化证据支持机制作用。对于其他相互作用，证据更为间接，依赖遗传上位性或相关性染色质免疫沉淀（ChIP）数据，这些数据证明共定位但不确立功能需求。转录因子–染色质相互作用证明了合理的调控机制，但并未确立所得染色质状态介导温度×光照交互作用。解释取决于环境处理、基因组基因座、组织、发育阶段、暴露持续时间，以及关键的是，可用证据类型。
4.4 染色质调控与持久性
染色质调控涵盖DNA甲基化、组蛋白修饰、核小体重塑、组蛋白变体动态和小RNA相关过程。这些机制可以修饰染色质可及性和转录能力，从而影响环境响应的时间、量级和持久性。然而，这些贡献的证据基础在不同机制、基因座和环境背景下差异很大，应相应评估。
不同染色质机制在不同时间尺度上运作，但观察到的相关性应与功能验证的效应区分开来。对于H2A.Z动态，温度依赖性核小体占据变化已被证明影响特定基因座的转录，遗传和占据证据支持其在温度响应调控中的因果作用。相比之下，环境相关DNA甲基化变化的证据更为异质。尽管一些甲基化变化通过有丝分裂持续存在，但直接证明它们因果调节转录的证据仍然有限且依赖背景。环境甲基化差异也可能反映遗传背景、发育阶段或组织组成，因此应谨慎解释。
4.5 时间动态与因果性解释
环境响应在重叠的时间尺度上发生，从光受体活性和转录因子丰度的快速变化到较慢的染色质重塑和潜在持久的调控状态。光受体信号传导可在数秒至数分钟内变化，转录重编程通常在数分钟至数小时内发展，染色质重塑和组蛋白变体动态在数小时至数天内发生，一些DNA甲基化变化或持久转录状态可能在数天至更长时间内出现。这一时间结构为询问短暂环境信号是否与更持久的调控状态相关联提供了有用框架。
然而，时间关联本身并不确立因果关系。染色质修饰出现在转录激活之后可能是结果而非起始信号；相反，较早的染色质变化不一定证明功能需求，因为它可能反映对共同上游信号的平行响应而非下游转录的因果驱动因素。同样，并发响应可能代表共同上游信号的平行效应而非线性因果链。时间排序因此应与扰动、基因座特异性分析和功能测量结合使用。最强因果参与证据来自选择性扰动候选染色质组分并在受控析因条件下评估环境响应的实验。
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植物发育可塑性背后的表观遗传机制
5.1 环境信号整合中的染色质调控
环境信号通过相互关联的转录、激素、翻译后和染色质相关机制调节植物发育。植物表观遗传调控涵盖组蛋白修饰、核小体重塑、组蛋白变体动态、DNA甲基化和小RNA介导的过程。这些机制影响调控DNA的可及性，从而调节环境响应转录的量级、时间、可逆性和持久性。染色质因此代表了环境信息可被转化为发育可塑性的重要调控层面。
对于温度和光照，证据在环境响应性方面明显强于直接信号整合。温度或光照可以单独改变转录因子、染色质状态和发育结果，而相对较少研究同时操纵两种线索并在定义基因组基因座检验其交互作用。因此，与温度或光照相关的染色质变化本身并不能证明染色质为联合温度–光照信号传导提供整合点。更强证据需要对联合处理的非加性或交互依赖性分子响应，理想情况下由功能扰动支持。
5.1.1 组蛋白修饰与环境响应转录
组蛋白修饰提供了染色质状态影响环境响应转录的重要机制。组蛋白乙酰化和去乙酰化可以改变染色质可及性并调节胁迫和发育相关基因的表达。在温度形态建成中，PWR–HDA9系统提供了温度响应染色质调控的例子：PWR相关HDA9活性有助于组蛋白去乙酰化和温度响应基因座（包括YUC8）的调控。PIF4独立激活YUC8和参与温度诱导生长的其他基因，说明环境转录因子和染色质调控因子如何汇聚于共享发育靶标。重要的是，该例子证明了温度响应染色质调控而非温度和光照信号在染色质水平的直接整合。
其他作物的证据进一步证明了环境响应组蛋白调控。在水稻中，冷胁迫与对比温度制度下冷响应基因组蛋白乙酰化变化相关。在玉米中，干旱胁迫增加胁迫响应基因启动子处的H3K9ac，并伴随染色质可及性和转录重编程的变化。热响应同样涉及组蛋白乙酰化变化和相关染色质调控因子的活性。总之，这些研究表明环境条件可以以与染色质可及性和基因表达变化相关的方式修饰组蛋白状态。
组蛋白甲基化提供了建立转录活性或抑制染色质状态的补充机制。在拟南芥春化过程中，长期寒冷暴露促进Polycomb介导的花卉抑制因子FLC处H3K27me3积累，有助于稳定转录抑制和随后的开花。这代表了温度依赖性染色质调控及其发育后果的成熟例子。然而，它并未证明温度和光照联合调节FLC染色质状态或响应代表光温整合。
5.1.2 染色质重塑与H2A.Z动态
组蛋白变体动态提供了环境响应染色质调控的最佳特征例子之一。在拟南芥中，含H2A.Z的核小体在较冷条件下富集于选定的温度响应基因座，而温度升高促进H2A.Z耗竭和相关转录变化。H2A.Z沉积依赖SWR1相关染色质重塑机制，破坏该通路会改变温度响应基因表达和发育表型。这些发现确立了H2A.Z动态作为温度依赖性染色质状态和基因表达调控的重要组分。
H2A.Z动态不仅仅是转录因子激活的下游结果。Cortijo等人（2017）表明HSF1结合和H2A.Z驱逐在热响应转录过程中在时间上相互关联，指示转录因子活性和核小体动态之间的交互相互作用。此外，H2A.Z占据及其转录后果高度依赖背景，因基因组基因座和环境条件而异。H2A.Z驱逐因此应被视为动态染色质调控系统的一部分，而非基因激活的普遍分子标志。
5.1.3 DNA甲基化与小RNA介导调控
DNA甲基化提供了环境条件可以影响植物发育的另一主要表观遗传层面。在植物中，甲基化主要发生在CG、CHG和CHH背景下，并有助于基因、转座子和基因组稳定性的调控。RNA指导的DNA甲基化（RdDM）通路对于在选定基因组区域建立甲基化和维持转座子沉默特别重要。甲基化的功能后果取决于序列背景：CG甲基化通常与相对稳定的沉默相关，而CHG和CHH甲基化可以更动态且环境响应。
环境条件与DNA甲基化差异相关。例如，暴露于不同热环境的拟南芥群体中已报告温度相关甲基化变异。此类观察证明了环境关联但未确立因果关系，因为甲基化变异也可能反映遗传背景、发育阶段、组织组成和基因组背景。组织特异性甲基化模式进一步强调在解释环境表观遗传变异时一致组织采样和发育分期的重要性。更强因果证据需要实验操纵甲基化或负责建立或移除甲基化的机制，并证明相应表型效应。
光响应甲基化通路提供了表观遗传调控可以响应光相关信号传导的补充证据。在番茄中，光信号调控因子SlHY5直接激活DNA去甲基化酶SlDML2，将光感知与果实发育过程中全基因组DNA去甲基化和代谢调控联系起来。DNA甲基化也与拟南芥中的光形态建成和昼夜节律调控相关。这些发现确立了光响应表观遗传调控，但并未证明温度和光照在相同基因组靶标联合调节甲基化。因此，两种环境线索影响DNA甲基化过程的证据不应等同于表观基因组直接交互作用的证据。
5.1.4 环境染色质调控与发育记忆
一些环境响应超出短暂转录变化，产生与发育记忆相关的持久染色质状态。春化作用提供了一个特征明确的例子。在拟南芥中，长期寒冷诱导FLC的Polycomb介导抑制，伴随H3K27me3积累并在植物返回允许温度后维持抑制状态。长链非编码RNA，包括COOLAIR和COLDAIR，有助于FLC调控和与Polycomb相关机制的相互作用。由于该持久状态在寒冷暴露结束后影响开花，春化作用代表世代内的表观遗传记忆而非跨代遗传。春化状态在有性生殖过程中被重置，尽管表观遗传重编程的程度和机制因物种而异。此外，潜在机制在不同植物谱系中不同；例如，温带谷物使用与拟南芥FLC中心机制显著不同的VRN中心调控系统。因此，相似的发育结果可以通过进化上不同的染色质机制产生。
对于温度–光照整合，关键未解决问题是联合暴露是否产生与任一线索单独响应不同的染色质状态，以及该状态是否因果促进随后的发育响应。证明此类整合需要功能持久性和相关表型效应的证据，如果状态持续超过暴露世代，则可能还需要跨代传递。迄今为止，联合温度和光照暴露在FLC、VRN1或其他开花基因座产生独特、特别是非加性染色质状态的证据仍然有限。这代表一个重要知识缺口：尽管开花时间是生理水平温度×光周期交互作用的经典例子，但这些交互线索如何在染色质水平被整合仍知之甚少。
5.2 环境信号表观遗传响应的时间组织
表观遗传响应在重叠时间尺度上展开，从相对快速的染色质重塑到较慢的甲基化变化和持久发育状态。染色质响应波动光照和温度的时间动态近期已被综述，强调不同染色质机制在数分钟至数代的时间范围内运作。这些过程不应被视为刚性序列，因为转录因子和染色质调控因子可以交互作用，其时间因基因组背景、组织、发育阶段和环境条件而异。时间分辨率因此对于区分早期调控事件与下游后果或持久状态很重要。
在中间时间尺度上，染色质重塑和组蛋白调控可以维持或修饰环境诱导的转录。温度依赖性H2A.Z重塑及其与HSF1的时间关系证明核小体动态与环境转录响应紧密耦合。类似地，PWR–HDA9相关组蛋白去乙酰化有助于温度形态建成生长。这些机制说明染色质如何在初始环境信号传导后调节转录响应的持久性和量级，而光照修饰这些染色质响应的证据仍然有限。
在较长时间尺度上，DNA甲基化变化可能在初始环境刺激后出现并持续存在，尽管其时间和功能意义高度依赖背景。拟南芥中已报告温度相关甲基化变异，而将环境诱导甲基化与表型联系起来的实验操纵提供了更强因果关系证据。
