《The Plant Journal》：The histone deacetylase BpHST1 influences branch angle in white birch (Betula platyphylla)
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组蛋白去乙酰化酶BpHST1（histone deacetylase BpHST1）影响白桦（*Betula platyphylla* Suk.）的分枝角度。研究人员利用基因编辑技术生成*bphst1*突变体，证实BpHST1通过调控H3K27乙酰化（H3K2
组蛋白去乙酰化酶BpHST1（histone deacetylase BpHST1）影响白桦（*Betula platyphylla* Suk.）的分枝角度。研究人员利用基因编辑技术生成*bphst1*突变体，证实BpHST1通过调控H3K27乙酰化（H3K27ac）水平参与树木构型的调控。研究提供证据表明，BpHST1是一种组蛋白去乙酰化酶，与H3K27ac水平改变相关，并影响纤维素酶基因*CELLULASE 1*（*BpCEL1*）的表达。与野生型相比，*BpHST1*敲除和*BpCEL1*过表达均导致分枝角度减小，支持*BpCEL1*作为BpHST1的下游候选效应因子。该研究提示，BpHST1通过改变*BpCEL1*位点的H3K27乙酰化水平影响白桦构型，阐明了控制白桦树冠构型的表观遗传机制中此前未知的一个方面。
## 白桦BpHST1通过H3K27ac表观遗传修饰调控分枝角度的分子机制
### 一、研究背景与科学问题
植物构型由株高、分枝数量和分枝角度等性状整合表现决定，直接制约生产力。树冠构型的优化被认为是提高产量的重要策略，其中分枝角度作为关键构型性状，决定了树冠的空间排列、光能捕获效率以及对高密度种植的适应性，进而通过光合性能影响最终产量。这一机制在多个物种中高度保守，包括水稻（*Oryza sativa*）、玉米（*Zea mays*）、番茄（*Solanum lycopersicum*）和桃（*Prunus persica*）等。
树木构型受复杂调控网络控制，其中TAC1（TILLER ANGLE CONTROL 1）、LAZY1和WEEP等关键组分将遗传程序和环境信号转化为形态学结果。然而，由于这些调控基因在不同物种间存在拷贝数变异差异，构型调控机制可能因物种而异，详细的分子机制尚未被完整解析并转化为实际应用，尤其是在林木中。紧凑直立的树冠构型适合高密度种植，同时促进高光合速率和养分利用效率，为改良树木构型和木材产量提供基础。窄冠表型已被证明能改善杨属（*Populus*）的木材产量和品质，但其分子基础仍有待阐明。
LAZY1、HST1（Sirtuins Two 1的同源物）、ADG（ADP-葡萄糖焦磷酸化酶）和SS（淀粉合酶）等多个基因已被证明整合重力、光和生长素信号通路来控制枝条和树冠构型。这些基因在作物和果树中的功能已得到充分研究，但其功能是否在林木中保守仍有待确定。特别是TAC1，最早在水稻中被鉴定，赋予极度直立分蘖的紧凑构型，在多个物种中发挥调控植物构型的保守作用。结构预测表明TAC1可能包含HST1样NAD依赖性去乙酰化酶结构域，因此在小麦中被命名为HST1，但其分子机制仍不清楚。
表观遗传修饰，包括DNA甲基化、组蛋白修饰和小RNA，通过响应环境刺激调节关键发育基因的表达，实现适应性生长。已有研究表明组蛋白修饰在调控植物构型中发挥重要作用，然而组蛋白去乙酰化酶HST1在树木构型调控中的表观遗传机制尚属未知。白桦（*Betula platyphylla* Suk.）主要分布于北半球温带和寒带森林中，具有重要的经济和生态价值。本研究利用CRISPR/Cas9介导的基因编辑技术，对多个已知调控其他物种植物构型的关键基因进行突变，发现*bphst1*突变体分枝角度显著小于野生型DL-1，而*bplazy1*突变体分枝角度更大且呈匍匐生长习性。研究人员进一步深入研究组蛋白去乙酰化酶HST1如何调控树木构型，揭示其通过调控H3K27乙酰化影响*BpCEL1*表达进而控制分枝角度的表观遗传调控机制。
### 二、主要技术方法
研究人员利用CRISPR/Cas9基因编辑技术获得白桦多个构型相关基因的突变体，包括*BpHST1*、*BpADG1*、*BpSS4*、*BpLAZY1*和*BpPGM1*。通过HDAC活性测定验证BpHST1的去乙酰化酶活性，利用修饰组蛋白肽阵列鉴定其结合靶点。采用染色质免疫沉淀测序（ChIP-seq）分析H3K27ac和H3K27me3在全基因组范围的分布变化，通过转录组测序（RNA-seq）鉴定差异表达基因。使用双荧光素酶报告实验和酵母单杂交实验验证BpHST1与*BpCEL1*启动子的结合。田间表型观测在帽儿山实验林场（45°20′N，127°30′E）进行，样本包括1年生和4年生的野生型DL-1和*bphst1*突变体植株。
### 三、主要研究结果
**1. CRISPR/Cas9获得白桦构型相关基因突变体**
研究人员利用CRISPR/Cas9基因编辑技术，在其他物种已知控制植物构型的基因白桦同源物*HST1*、*ADG1*、*SS4*、*LAZY1*和*PGM1*中引入突变，除*BpPGM1*外均获得突变体。表型鉴定显示，*bphst1*突变体分枝角度显著小于野生型DL-1，而*bplazy1*突变体分枝角度更大并呈匍匐生长习性；*bpadg1*和*bpss4*突变体与DL-1构型相似。由于生长迅速和木材品质优良是重要育种目标，研究人员聚焦于BpHST1突变赋予窄分枝表型的分子机制。
**2. BpHST1参与调控分枝角度**
研究人员在第三外显子选择新的CRISPR/Cas9靶位点，生成较弱的*bphst1*突变体等位基因，用于与强突变体*bphst1-5*进行表型和功能分析，共获得64个携带*BpHST1*纯合单突变的独立植株，并全部移栽至帽儿山实验林场进行田间观测。在1年生阶段，所有*bphst1*突变体分枝角度均小于DL-1，纯合突变体株高更高，*bphst1-5*(?/?)的一级分枝数量减少。杂合植株的中间表型表明分枝性状存在剂量依赖性控制。4年生树木表型分析显示，纯合和杂合植株均具有显著较小的冠幅和较窄的分枝角度，而仅*bphst1-5*植株株高显著增加且一级分枝数减少。这些结果表明BpHST1通过影响分枝角度调控白桦构型。
**3. BpHST1具有去乙酰化酶活性并与H3K27ac水平改变相关**
系统发育分析将BpHST1与多个植物物种的HST1样蛋白聚为一个分支，表明其属于更大的组蛋白去乙酰化酶家族。亚细胞定位分析表明BpHST1-GFP主要定位于细胞核。HDAC活性测定显示，全长HST1的去乙酰化酶活性远高于GST对照，而由17或189个氨基酸组成的BpHST1截短突变体的HDAC活性显著低于全长蛋白，为BpHST1的HDAC活性提供了有力证据。修饰组蛋白肽阵列分析鉴定出16个高强度信号，包括H3S28P、H3R26和H3K27等8个结合信号最高的组蛋白肽位点。ChIP-seq分析显示，bphst1-5植株的H3K27ac水平显著高于DL-1，而H3K27me3水平显著低于DL-1，表明BpHST1功能与H3K27修饰改变相关，尤其是在5S核糖体DNA（rDNA）等重复序列区域。
**4. BpCEL1作为BpHST1的下游候选效应因子**
研究人员通过RNA-seq比较DL-1与*bphst1-5*(?/?)和*bphst1-8*(?/?)的转录组谱，聚焦于269个在*bphst1*中显著上调的基因。Gene Ontology（GO）分析鉴定出显著富集的术语，包括过氧化氢分解/代谢过程、染色质组装/解组装、DNA包装和细胞壁组织/生物合成。结合ChIP-seq和RNA-seq数据，发现预测基序存在于5个注释为“细胞壁组织或生物合成”GO术语相关的基因中，其中包括纤维素酶基因*BpCEL1*。RT-qPCR验证12个细胞壁组织/生物合成相关基因，其中8个在*bphst1-5*(?/?)中显著上调，*BpCEL1*表达增幅最大（20倍）。ChIP-qPCR证实*bphst1*突变体在*BpCEL1*位点的H3K27ac水平显著升高、H3K27me3水平显著降低。双荧光素酶报告实验和酵母单杂交实验共同支持*BpCEL1*是BpHST1介导的表观遗传调控的下游候选效应因子。
**5. BpCEL1过表达导致分枝角度减小**
研究人员将35S启动子驱动的*BpCEL1*全长编码序列导入DL-1，获得5个独立转基因植株，其*BpCEL1*表达水平显著高于DL-1，且在6月龄时分枝角度显著小于DL-1。选取表达量最高和最低的两个转基因植株（BpCEL1-OE22#和BpCEL1-OE25#）进行细胞壁成分分析，BpCEL1-OE22#的半纤维素和木质素含量显著升高、纤维素含量显著降低，BpCEL1-OE25#仅木质素含量显著升高。有趣的是，bphst1突变体细胞壁组分的变化与BpCEL1-OE22#一致。侧枝纵切面分析显示，BpCEL1-OE22#和*bphst1-5*(?/?)的β角（定义为侧枝与主茎之间的角度）显著小于DL-1，茎中细胞更长更宽。
### 四、讨论与结论
关于H3K27乙酰化和甲基化的关系，研究结果表明*bphst1*突变体表现出H3K27ac增加和H3K27me3减少。已知H3K27乙酰化和甲基化功能拮抗：HAT催化的H3K27乙酰化造成空间位阻，阻断PRC2/EZH2复合物对同一组蛋白残基进行甲基化；积累的H3K27ac招募KDM6A/B去甲基化酶清除预先存在的H3K27me3。然而，当前数据不能证明BpHST1参与白桦中H3K27me3的沉积或PRC2的招募。
关于组蛋白去乙酰化酶的调控机制，转录调控因子介导HDAC向特定基因组位点的靶向招募，形成局部抑制复合物。已有研究表明MYB样转录因子与共抑制因子TOPLESS和HDA19组装抑制复合物，TCP15招募HDA4形成功能复合物抑制下游基因表达，从而抑制腋芽萌发并促进番茄更紧凑的植物构型。除经典转录因子驱动控制外，其他染色质相关蛋白可能招募HST1，包括染色质重塑因子和表观遗传修饰酶。
关于BpHST1调控分枝角度的机制，研究人员提供了BpHST1是NAD依赖性去乙酰化酶的证据，并证明其与*BpCEL1*位点的H3K27ac修饰相关，与分枝角度变化相关联。CEL1属于糖基水解酶9B（GH9B）家族，在植物生长过程中参与细胞壁生物合成和纤维素代谢。BpCEL1过表达株系中木质素和半纤维素含量增加、纤维素含量降低的现象表明，CEL1活性可能通过改变底物可用性或信号传导影响细胞壁成分变化和生物合成。然而，这些细胞壁变化如何导致分枝角度改变仍有待验证。
研究结论为：BpHST1与*BpCEL1*位点的H3K27ac水平相关，通过表观遗传方式影响*BpCEL1*的表达，进而促进白桦分枝角度增大，建立了树木中表观遗传调控与构型发育之间的联系。*bphst1*突变体的紧凑窄冠构型为白桦育种提供了宝贵的种质资源，HST1可能成为精确改良植物构型的极有前景的遗传靶点。
