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NC | 肖军研究组及合作者解析小麦不同品种低氮适应性差异的表观调控机理

  • 转自：植物生物技术Pbj公众号
  • 日期：2023-12-15
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小麦(Triticum aestivum L.)是我国重要的粮食作物之一。在农业生产中，土壤氮素含量是限制作物生产的关键因素，其丰收与氮肥的充分施用息息相关。然而若过度施用氮肥，则可能带来严重的环境问题。因此，提高小麦的氮素利用效率以实现绿色增产是现代农业发展的迫切需求。根系形态能够较大程度的影响小麦的氮素吸收效率，但是目前针对小麦在低氮环境下根系可塑性发育的调节机制，尤其是表观修饰介导的转录调控研究仍较为匮乏。
基于以上背景，中国科学院遗传与发育生物学研究所肖军研究组与合作者聚焦两个低氮(Low nitrogen, LN)下生长存在差异的代表性小麦品种：科农9204 (KN9204)和京411 (J411)，并分别在正常氮(Normal nitrogen, NN)和LN条件下绘制了这两个品种三种组织(根、旗叶、种子)的多种组蛋白修饰。
研究发现远端H3K27ac调控区域呈现明显的品种特异性，并显著富集在KN9204和J411之间形态相关性状的数量性状基因座(Quantitative trait locus, QTL)中，并且远端H3K27ac调控区域可能参与调控根系形态相关基因，引起基因在品种间表达差异。在LN环境下，KN9204和J411根系中H3K27ac和H3K27me3呈现不同的变化趋势。两个品种氮素代谢的差异与氮代谢相关基因的差异表达相关，而后者更多受KN9204和J411的不同染色质修饰状态而非DNA的序列变异影响。此外，LN下KN9204特异的H3K27ac上调促进了根系较大的形态变化。而J411中H3K27ac的特异性上调和H3K27me3的特异性下调促进了高亲和力硝酸根转运蛋白(NRT2)基因的高表达。而转录因子ERF9和BPC1在LN下两品种呈现不同的诱导程度，可以分别与H3K27me3甲基转移酶PRC2互作参与H3K27me3的动态变化。通过敲除H3K27me3甲基转移酶的组分TaSWN，能够改变小麦在低氮环境下的适应策略，即促进根部发育或上调NRT2。
该研究结果以“Epigenetic modifications regulate cultivar-specific root development and metabolic adaptation to nitrogen availability in wheat”为题于2023年12月12日在线发表于Nature Communications杂志(https://doi.org/10.1038/s41467-023-44003-6)。肖军组博士毕业生张昊为文章第一作者，河北师范大学博士研究生靳志远，鲁东大学崔法教授，中国科学院遗传发育所已毕业研究生赵龙博士、张晶博士，及博士研究生张晓雨、陈进超，中国科学院遗传发育所农业资源研究中心李妍妍博士也参与了本研究。肖军研究员、河北师范大学李俊明教授和中国科学院遗传发育所凌宏清研究员为共同通讯作者。中国科学院遗传发育所高彩霞研究员、傅向东研究员、童依平研究员，中国科学院遗传发育所农业资源研究中心王磊研究员，南京农业大学张文利教授参与了课题指导和帮助。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院战略先导专项等项目的资助。

表观遗传调控小麦不同品种低氮适应性的作用模式